Risultati e discussione
Fig. 2 mostra la spettrometria di massa a ionizzazione elettrospray (ESI-MS) (+) della miscela di prodotti solidi e NPM non reagito estratti dalla superficie delle strisce di silicio dopo reazione con ozono. I picchi dovuti agli addotti protoni, sodio e potassio di NPM non reagito si verificano rispettivamente a m / z 271, 293 e 309, mentre i picchi del prodotto sono osservati a m / z 212, 241, da 433 a 441 e 465. Analisi diretta negli studi di spettrometria di massa in tempo reale (DART-MS) gli studi hanno mostrato picchi simili (Appendice SI, Fig. S1). Gli spettri MS / MS sono stati acquisiti per ciascuno di questi picchi (appendice SI, figure S2 e S3) e sono state eseguite misurazioni di massa accurate (appendice SI, tabella S1). Sulla base di questi dati vengono proposti i prodotti riportati in Fig. 3. La massa accurata misurata di ciascun prodotto è coerente con la massa esatta calcolata e con i modelli di frammentazione per ogni picco genitore. Il gruppo di picchi a m / z da 433 a 441 rappresenta due diversi prodotti a m / z 433 e 437, con picchi sovrapposti dovuti agli isotopi Cl (35, 37) (Appendice SI, Fig. S4). Si noti che tutti i prodotti identificati provvisoriamente da ESI-MS e DART-MS hanno preservato il gruppo terziario in NPM, suggerendo che l’attacco dell’ozono sull’ammina terziaria non è importante. Ciò è coerente con gli studi sull’ozonolisi in acqua della ranitidina farmaceutica strutturalmente correlata in cui la reazione con l’ammina terziaria non era importante al di sotto del pH ≈ 8 (49).
ESI-MS della miscela di NPM non reagito e dei suoi prodotti di reazione di ozonolisi etichettati da A a E dopo reazione sotto un flusso di 1,8 ppm O3 per 1,5 h. Il riquadro è una vista espansa della regione m / z da 430 a 441. Il picco a m / z 258 non sembra essere un prodotto di reazione diretta, poiché appariva solo quando l’acqua veniva utilizzata come solvente di estrazione e non era presente nello spettro DART-MS (Appendice SI, Fig. S1).
Strutture proposte e masse esatte di prodotti solidi dalla reazione NPM − O3. Si noti che esistono strutture alternative della stessa massa esatta del prodotto B che sono meno probabili meccanicamente.
Anche i prodotti in fase solida sono stati esaminati utilizzando riflettanza totale attenuata spettroscopia infrarossa in trasformata di Fourier (ATR-FTIR). La Fig.4 mostra lo spettro ATR-FTIR di 20 monostrati (ML) di NPM solido prima dell’esposizione all’ozono (linea nera) e gli spettri di differenza dopo la reazione con 1,15 parti per milione (ppm) O3 per 1 min (linea blu, espansa di un fattore 5 per chiarezza) e per 16 min (linea rossa). Le bande negative a 1592 e 1236 cm-1 dovute alla frazione -NO2 rappresentano la perdita di NPM durante la reazione, mentre le bande positive a 1708, 1667 e 1634 cm-1 sono dovute alla formazione di prodotti. I picchi a 1667 e 1634 cm − 1 sono entrambi assegnati a C = N nelle immine (50). Il primo rappresenta un gruppo C = N isolato come si trova nei prodotti A, B e D (Fig. 3). Il picco a 1634 cm − 1 è spostato verso il rosso a causa della coniugazione con un altro gruppo, coerente con il prodotto C, che è coniugato con una C = C. Sebbene il prodotto C sia anche un alchene che potrebbe, in linea di principio, reagire ulteriormente con l’ozono, la sua reattività può essere ridotta a causa della minore densità di elettroni nel legame C = C risultante dalla coniugazione con i due gruppi immine. Potrebbe anche esserci un contributo al picco di 1634 cm-1 dal prodotto E, che è coniugato con un gruppo C = O. Tuttavia, questo contributo dovrebbe essere piccolo in base alla bassa intensità relativa ESI-MS e alla posizione del picco dell’infrarosso C = O a 1708 cm-1, che è spostato verso il rosso rispetto a quello previsto per un estere (50). Un debole allungamento carbonilico a 1708 cm-1 è evidente solo a brevi tempi di reazione. Ciò indica che la C = O non aumenta nel tempo proporzionalmente ai picchi di immina, suggerendo che viene rimossa da reazioni secondarie a tempi di reazione più lunghi.
ATR- Spettro FTIR di 20 ML NPM prima della reazione con O3 (nero) e spettri di differenza dopo la reazione con 1,15 ppm di O3 per 1 min (blu) o 16 min (rosso). La traccia blu è stata ampliata di un fattore 5 per chiarezza di presentazione. Lo spettro ATR è log (S0 / S1), dove S0 è lo spettro a raggio singolo del cristallo Ge pulito e S1 è lo spettro a raggio singolo con il sottile strato di NPM sul cristallo Ge prima della reazione con l’ozono. Lo spettro della differenza è log (S1 / S2), dove S1 è lo spettro a raggio singolo di NPM prima della reazione e S2 è lo spettro a raggio singolo dopo il tempo di reazione dichiarato, in modo che le variazioni negli spettri rispetto all’NPM non reagito siano maggiori facilmente visibile.
È abbastanza inaspettato che, dei cinque prodotti in fase solida osservati dopo l’ozonolisi, tre non contengano ossigeno, come stabilito dal misurazioni accurate della massa.Precedenti studi (51⇓-53) sull’ozonolisi di enamine in soluzione riportavano solo prodotti contenenti ossigeno come combinazioni di alcol carbonilico e idroperossidi. Inoltre, tre dei cinque prodotti hanno masse molecolari più elevate dell’NPM, il che indica che gli intermedi reattivi formati nella reazione iniziale con O3 devono quindi attaccare l’NPM.
La combinazione di prodotti in fase solida e gassosa è stata interrogata utilizzando trasmissione FTIR in esperimenti in modalità statica (Appendice SI, Fig. S5A). La Fig. 5 mostra la differenza di spettro quando l’ozono è stato aggiunto per la prima volta alla cella (nero) e quello dopo un’ora di reazione (rosso). L’ozono (1054 cm − 1) e il NPM (1236 cm − 1) sono diminuiti e sono stati osservati picchi a 791, 852 e 1263 cm − 1. Questi sono caratteristici dell’acido nitroso, HONO (54, 55). L’appendice SI, Fig. S6 mostra una tipica dipendenza dal tempo per la perdita di O3 e la formazione di HONO. La concentrazione di HONO aumenta e poi diminuisce lentamente a causa di velocità di formazione più lente man mano che l’ozono viene consumato e HONO viene perso nelle pareti cellulari. Le concentrazioni di picco di HONO sono state misurate nell’intervallo (da 2,3 a 5,0) × 1014 molecole⋅cm-3. L’appendice SI, la tabella S2 riassume le rese HONO espresse come il picco HONO formato diviso per la corrispondente perdita di ozono, con una resa media, ΔHONO / ΔO3, di 0,12 ± 0,03 (1 σ).
Spettri di trasmissione della fase solida e gassosa combinati quando film sottili di NPM su strisce di Si sono stati esposti a O3 nella cella mostrata nell’Appendice SI, Fig. S5A. Come descritto in Materiali e metodi, NPM è stato anche depositato sulle finestre delle celle per rilevare la perdita di NPM quando è stato aggiunto O3. Lo spettro mostrato in nero è lo spettro della differenza quando l’ozono è stato aggiunto per la prima volta alla cella, log (S1 / S2), dove S1 è lo spettro a raggio singolo della cella con film sottili di NPM sulle finestre prima dell’aggiunta di O3 e S2 è il raggio singolo immediatamente dopo l’aggiunta di O3 (6,3 × 1015 molecole⋅cm-3) alla cellula. Lo spettro mostrato in rosso è lo spettro della differenza dopo un’ora di reazione con O3. Il numero totale iniziale di NPM era 6,5 × 1017 molecole e quello di O3 era 3,8 × 1017 molecole nella cella di 60 cm3 di volume.
Una possibile fonte di HONO nella reazione NPM-ozono è la decomposizione dell’IC che contiene il gruppo nitro (CIx), • OOCH (•) NO2 → HONO + CO2. Il biossido di azoto non è mai stato osservato in fase gassosa, e il suo la reazione eterogenea sulle superfici per formare HONO è lenta (56), escludendo questo come fonte. Per verificare se un CI di questo tipo possa formare HONO, sono stati effettuati anche alcuni esperimenti sulla reazione di O3 con fase gassosa 2-metil-1-nitroprop-1-ene, che dovrebbe dare lo stesso NO2-CI . Si è infatti formato acido nitroso, con una resa media definita come ΔHONO / ΔO3 di 0,18 ± 0,05 (1σ), supportando questo NO2 − CI come precursore di HONO (non è stato possibile misurare l’incremento di CO2 atteso, a causa dei cambiamenti nel sfondo durante un esperimento). Come ulteriore verifica che la caratteristica strutturale chiave nella produzione di HONO sia un gruppo –NO2 sul carbonio alchenico, è stato condotto anche un esperimento con 4-metil-4-nitro-1-pentene dove il gruppo –NO2 viene spostato dall’alchene doppio legame, dove non è stata osservata la produzione di HONO. Ciò ha fornito un’ulteriore prova che CIx era l’intermedio chiave per la formazione di HONO.
Come mostrato in Fig. 1A, la reazione dell’ozono con il gruppo C = C nella fase solida dovrebbe generare un gruppo carbonile da un lato del il doppio legame e due CI (CIx o CIz) dall’altro. La ricombinazione per dare la SOZ è comune nei solidi. Tale meccanismo è stato osservato, ad esempio, nell’ozonolisi su substrati solidi di fosfolipidi (57), così come monostrati alchenici autoassemblati (58). Mentre un picco molto piccolo intorno a 1105 cm − 1 è stato osservato nello spettro FTIR del prodotto, simile a quello osservato nella reazione fosfolipidica e assegnato alla SOZ, non c’era alcun picco ESI-MS a m / z 318 corrispondente alla SOZ nel Reazione NPM. Pertanto, se si forma la SOZ, deve essere un prodotto secondario. Come conferma, la SOZ dalla reazione fosfolipidica è stata facilmente osservata da ESI-MS nelle stesse condizioni. I meccanismi convenzionali di ozonolisi prevedono anche che la formazione del prodotto carbonile con un peso molecolare di 227 (P227) dall’estremità più grande della molecola accompagnerebbe la generazione di CIx (la fonte di HONO). Sebbene un piccolo picco dell’infrarosso a 1708 cm-1 sia stato osservato a concentrazioni di ozono più elevate e tempi di reazione più brevi, un picco corrispondente a P227 non è stato rilevato da ESI-MS, suggerendo che questo prodotto viene perso a causa delle reazioni secondarie mentre si forma.
Supponendo che i primi passi nella reazione producano CI (Fig.1), quello formato dalla parte più grande della molecola, CIz, sarà generato e può decomporsi o attaccare le molecole vicine (NPM o il prodotto P227) . Appendice SI, Figg. S7 – S11 mostra i possibili meccanismi per la formazione dei prodotti da A a E (Fig. 3).Sebbene tali meccanismi non possano essere dimostrati, sono ragionevoli e, a differenza dei meccanismi convenzionali di ozonolisi, possono spiegare i prodotti osservati. Si noti che il meccanismo proposto per generare il prodotto B (massa 240) e il prodotto D (massa 436) coinvolge la chimica secondaria del composto carbonilico di massa 227, coerente con il picco di 1708 cm − 1 osservabile solo alle concentrazioni di ozono più alte e più brevi tempi di reazione. In breve, nella reazione O3 con NPM nella fase solida deve avvenire una chimica molto insolita.
La cinetica della perdita di NPM è stata monitorata con ATR-FTIR (appendice SI, Fig. S5B) utilizzando la fascia a 1236 cm − 1. L’appendice SI, Fig. S12 mostra i tipici decadimenti pseudo-del primo ordine per la perdita di NPM, lnAA0 = −kt = −k “t, dove A è l’assorbanza al tempo t e A0 è l’assorbanza iniziale prima della reazione. La perdita di NPM segue una cinetica di primo ordine fino a una grande perdita netta di NPM. Infatti, a esposizioni sufficientemente lunghe, essenzialmente tutto il NPM viene reagito. Le costanti di velocità pseudo-primo ordine per il decadimento dell’ozono, k “, sono state derivate per le perdite fino al 50% e sono riassunti nell’Appendice SI, Tabella S3.
Un fenomeno comune per reazioni eterogenee di solidi è la passivazione superficiale, dove la reazione dei pochi strati superiori forma un sottile strato di prodotti non reattivi che protegge gli strati sottostanti da ulteriore reazione (59⇓ – 61). In questo caso, la velocità di assorbimento del gas reagente diminuisce con il tempo, portando infine a zero assorbimento e nessuna ulteriore reazione del solido. Tuttavia, non c’erano prove di passivazione superficiale qui e, a esposizioni di ozono sufficienti (combinazione di tempo e concentrazione di ozono), si verifica una perdita quasi completa di NPM. Pertanto, deve avvenire la diffusione in tutto il film insieme alla reazione, che è importante per valutare accuratamente il suo destino nell’ambiente.
Per esplorare ulteriormente questo, il modello multistrato cinetico per la chimica di superficie e massa degli aerosol (KM- Il modello SUB) (62) è stato applicato per esaminare quantitativamente i ruoli di diffusione e reazione in tutto il film, fornendo approfondimenti chiave sia sugli esperimenti che sulle considerazioni che sono importanti per comprendere le sue reazioni con l’ozono nell’aria. Lo schema di reazione è riassunto nella Fig. 1B. Sebbene l’insieme semplificato di reazioni sia inteso a rappresentare la formazione dei prodotti osservati senza implicare meccanismi, è coerente con quelli mostrati nell’Appendice SI, Figg. S7 – S11. Eq. 2 (Fig. 1B) rappresenta il primo percorso di decomposizione per la POZ, generando il CIx che forma HONO così come il prodotto di massa 227 (P227). Eq. 3 rappresenta il secondo percorso per la decomposizione POZ, dando il CIz più grande che genera il prodotto A (Eq.4), e reagisce o con NPM (Eq.5) per generare i prodotti C ed E o con P227 che è stato generato nella prima decomposizione per formare i prodotti B e D (Eq. 6).
L’appendice SI, Fig. S13 confronta, per i parametri di input best-fit riassunti nell’appendice SI, tabella S4, la perdita di NPM in funzione di tempo previsto da KM-SUB (linea continua) ai dati sperimentali (simboli). Questi rappresentano la migliore combinazione di diffusione e cinetica di reazione. Si ottengono buoni adattamenti ai dati sperimentali in un’ampia gamma di condizioni. L’Appendice SI, Fig. S14 mostra grafici di contorno dell’evoluzione prevista di NPM e ozono nel film in funzione del tempo a una concentrazione di ozono bassa e alta. Vengono inoltre mostrati i contorni previsti per i prodotti P227, A e la combinazione di C + E. A basse concentrazioni di O3, la reazione avviene vicino alla superficie, mentre, a concentrazioni di ozono più elevate, la reazione avviene in tutto il film, evidenziando l’importanza di considerare sia reazione che diffusione. Si noti che le concentrazioni di picco previste di P227 sono inferiori di diversi ordini di grandezza rispetto agli altri prodotti, in linea con la difficoltà nel rilevare questo prodotto. Un’altra intuizione da questi contorni è che la reazione si sta verificando in tutto il film alle alte concentrazioni di O3 utilizzate negli esperimenti di misurazione statica HONO. Ciò è coerente con il numero assoluto di HONO che è stato generato, che corrispondeva alla reazione da ∼34 a 55 ML di NPM, assumendo una resa HONO media del 12%.
La costante di velocità per la reazione NPM − O3 derivato dal modello è 1 × 10−18 cm3⋅molecola − 1⋅s − 1, e una probabilità di reazione iniziale è stimata essere ∼9 × 10−6 dopo aver tenuto conto della diffusione e dell’esaurimento del reagente nello strato superficiale. Questo è simile in grandezza a quello per l’ozonolisi in fase gassosa di alcheni semplici disostituiti o trisostituiti (17). Il coefficiente di diffusione per O3 in NPM, D = 9 × 10-10 cm2⋅s − 1, è compreso nell’intervallo di valori attesi per la diffusione in un solido amorfo (63).
Questi studi illustrano chiaramente che i prodotti di reazione ei meccanismi per composti complessi e multifunzionali non possono essere previsti con precisione in base a quelli delle singole caratteristiche strutturali.Nel caso del neonicotinoide NPM, ci sono poche prove che si sia formata la SOZ attesa. Vengono invece generati prodotti molto insoliti che non contengono ossigeno, nonostante l’ambiente altamente ossidante. Una ricerca approfondita della letteratura non ha mostrato alcuna menzione di prodotti privi di ossigeno derivanti dall’ozonolisi di un alchene. Inoltre, vengono generati prodotti con masse molecolari molto più elevate rispetto al composto originario, che indicano reazioni incrociate di intermedi reattivi con NPM o con prodotti formati nella chimica iniziale NPM-O3. La produzione dei prodotti di massa molecolare più elevata richiede che l’IC generato dal lato più grande della molecola si formi vicino a un altro NPM o ai suoi prodotti di reazione. L’applicazione come granuli o la raccolta su superfici polverose dopo l’applicazione al suolo comporterà la presenza di NPM come aggregati di varie dimensioni, quindi questa chimica dovrebbe essere applicata. Nel caso di NPM isolato, ad esempio, attraverso l’assorbimento sistemico nelle piante, questo CI può reagire con altri componenti della matrice piuttosto che con NPM.
La differenza tra il meccanismo di ozonolisi qui proposto (Fig. 1B) e il meccanismo convenzionale per gli alcheni (Fig. 1A) può essere dovuto a diversi fattori. In primo luogo, la diffusione dei frammenti più piccoli (CIx e CHONO2) può essere sufficientemente veloce nel film interrotto da limitare la cicloaddizione per formare la SOZ. Pertanto, mentre i coefficienti di diffusione per CIx e CHONO2 dovrebbero essere inferiori a quelli per O3 (9 × 10-10 cm2⋅s − 1) a causa delle loro dimensioni, potrebbero comunque essere nell’intervallo di 10-10 cm2⋅s Da −1 a 10−11 cm2⋅s − 1. Se la distanza che CIx e CHONO2 devono percorrere per diffondersi lontano dal frammento più grande in modo che non si ricombinino è ∼1 nm, il tempo di diffusione corrispondente è nell’ordine da 0,1 ms a 1 ms. Altri due processi competono con la diffusione: la decomposizione del CI e la sua cicloaddizione dipolare 1,3 al carbonile per formare SOZ. La decomposizione di CI termalizzati è tipicamente dell’ordine di ∼102 s − 1 a 103 s − 1, dando vita da ∼1 ms a 10 ms (42, 44, 64), simile ai tempi di diffusione. La cicloaddizione può avere requisiti sterici che sono ulteriormente limitati da moti più lenti nel solido, rendendo la formazione di SOZ dalla cicloaddizione 1,3 meno competitiva.
L’acido nitroso viene generato nella fase gassosa, con indicazioni che esso risulta dalla decomposizione del CI contenente –NO2. Questo acido si assorbe fortemente nella regione attinica che raggiunge la superficie terrestre e, attraverso la sua fotolisi, è una delle principali fonti del radicale OH che guida la chimica dell’atmosfera (17, 65). Mentre la reazione NPM-O3 è non si prevede che sia una fonte significativa di HONO rispetto ad altre sorgenti esterne e interne conosciute su base globale (66, 67), può svolgere un ruolo localmente dove viene utilizzato NPM, e la sua produzione in questa reazione è certamente di interesse meccanicistico.
Presi insieme, questi risultati molto insoliti e sorprendenti illustrano che la valutazione accurata del destino ambientale di tali composti multifunzionali richiede studi dettagliati, caso per caso. Tali studi rimarranno essenziali almeno fino a quando non si saprà molto di più che consentirà di sviluppare relazioni struttura-reattività. La comprensione di tali meccanismi e prodotti fornirà una guida importante nella progettazione della prossima generazione di composti come pesticidi e prodotti farmaceutici al fine di minimizzare il del impatti eteri.