Uventet dannelse av oksygenfrie produkter og salpetersyre fra ozonolyse av neonicotinoid nitenpyram

Resultater og diskusjon

Fig. 2 viser elektrosprayionisering massespektrometri (ESI-MS) (+) av blandingen av faste produkter og ureagerte NPM ekstrahert fra overflaten av silisiumstrimler etter reaksjon med ozon. Topper på grunn av proton-, natrium- og kaliumaddukter av ureagerte NPM forekommer ved henholdsvis m / z 271, 293 og 309, og produkttopper observeres ved m / z 212, 241, 433 til 441 og 465. Direkte analyse i sanntids massespektrometri (DART-MS) studier viste lignende topper (SI Appendix, Fig. S1). MS / MS-spektre ble anskaffet for hver av disse toppene (SI-vedlegg, fig. S2 og S3), og nøyaktige massemålinger ble utført (SI-vedlegg, tabell S1). Basert på disse dataene er produktene vist i figur 3 foreslått. Den målte nøyaktige massen til hvert produkt er i samsvar med den beregnede eksakte massen, og med fragmenteringsmønstrene for hver foreldretopp. Klyngen av topper ved m / z 433 til 441 representerer to forskjellige produkter ved m / z 433 og 437, med overlappende topper på grunn av Cl-isotoper (35, 37) (SI-vedlegg, fig. S4). Merk at alle produktene som foreløpig er identifisert av ESI-MS og DART-MS, har bevart tertiærgruppen i NPM, noe som tyder på at angrep av ozon på tertiær amin ikke er viktig. Dette stemmer overens med studier av ozonolysen i vann av det strukturelt relaterte farmasøytiske ranitidinet der reaksjonen med det tertiære aminet ikke var viktig under pH ≈ 8 (49).

Fastfaseprodukter ble også undersøkt ved hjelp av dempet total reflektans Fourier transform infrarød spektroskopi (ATR-FTIR). Fig. 4 viser ATR-FTIR-spekteret av 20 monolag (ML) av fast NPM før eksponering for ozon (svart linje) og differansespektrene etter reaksjon med 1,15 deler per million (ppm) O3 i 1 min (blå linje, utvidet med en faktor 5 for klarhet) og i 16 min (rød linje). Negative bånd ved 1592 og 1236 cm − 1 på grunn av –NO2-delen representerer tap av NPM under reaksjonen, mens positive bånd ved 1708, 1667 og 1634 cm − 1 skyldes dannelsen av produkter. Toppene ved 1667 og 1634 cm − 1 er begge tildelt C = N i iminer (50). Førstnevnte representerer en isolert C = N-gruppe som finnes i produktene A, B og D (figur 3). Toppen ved 1634 cm − 1 er rødskiftet på grunn av konjugering med en annen gruppe, i samsvar med produkt C, som er konjugert med en C = C. Mens produkt C også er et alken som i prinsippet kan reagere videre med ozon, kan dets reaktivitet reduseres på grunn av mindre elektrondensitet i C = C-bindingen som følge av konjugering med de to imingruppene. Det kan også være et bidrag til 1634 cm − 1-toppen fra produkt E, som er konjugert med en C = O-gruppe. Imidlertid forventes dette bidraget å være lite basert på den lave ESI-MS relative intensiteten og plasseringen av C = O infrarød topp på 1708 cm -1, som er rødt forskjøvet sammenlignet med forventet for en ester (50). En svak karbonylstrekning på 1708 cm − 1 er tydelig bare ved korte reaksjonstider. Dette indikerer at C = O ikke øker med tiden proporsjonalt med imintoppene, noe som tyder på at den fjernes ved sekundære reaksjoner ved lengre reaksjonstider.

Det er ganske uventet at av de fem fastfaseproduktene som er observert etter ozonolyse, tre ikke inneholder oksygen, som fastslått av nøyaktige massemålinger.Tidligere studier (51⇓ – 53) av ozonolyse av enaminer i oppløsningen rapporterte kun oksygenholdige produkter som karbonylalkoholkombinasjoner og hydroperoksider. Videre har tre av de fem produktene høyere molekylmasser enn NPM, noe som indikerer at reaktive mellomprodukter dannet i den første reaksjonen med O3 da må angripe NPM.

Kombinasjonen av gass- og fastfaseprodukter ble avhørt ved bruk av overføring FTIR i statisk modus eksperimenter (SI Appendix, Fig. S5A). Fig. 5 viser forskjellsspekteret når ozon først ble tilsatt cellen (svart) og det etter en times reaksjon (rød). Ozon (1054 cm − 1) og NPM (1236 cm − 1) reduserte, og topper ved 791, 852 og 1263 cm − 1 ble observert. Disse er karakteristiske for salpetersyre, HONO (54, 55). SI-vedlegg, fig. S6 viser en typisk tidsavhengighet for O3-tap og HONO-dannelse. HONO-konsentrasjonen trekker seg og avtar deretter sakte på grunn av lavere dannelseshastigheter når ozonet forbrukes og HONO går tapt til celleveggene. Topp HONO-konsentrasjoner ble målt til å være i området (2,3 til 5,0) × 1014 molekyler⋅cm − 3. SI-vedlegg, tabell S2 oppsummerer HONO-utbyttene uttrykt som topp HONO dannet delt på det tilsvarende tapet av ozon, med et gjennomsnittlig utbytte, ΔHONO / ΔO3, på 0,12 ± 0,03 (1 σ).

En mulig kilde til HONO i NPM − ozonreaksjonen er nedbrytning av CI som inneholder nitrogruppen (CIx), • OOCH (•) NO2 → HONO + CO2. Nitrogendioksid ble aldri observert i gassfasen, og dens heterogen reaksjon på overflater for å danne HONO er treg (56), og utelukker dette som en kilde. For å teste om en CI av denne typen kan danne HONO, ble det også utført noen eksperimenter på reaksjonen av O3 med gassfase 2-metyl-1-nitroprop-1-en, som forventes å gi den samme NO2-CI . Salpetersyre ble faktisk dannet, med et gjennomsnittlig utbytte definert som ΔHONO / ΔO3 på 0,18 ± 0,05 (1σ), og støttet denne NO2-CI som forløper for HONO (måling av forventet tilhørende økning i CO2 var ikke mulig på grunn av endringer i bakgrunn under et eksperiment). Som en ytterligere kontroll av at det viktigste strukturelle trekket i HONO-produksjonen er en –NO2-gruppe på alkenkarbonet, ble det også utført et eksperiment med 4-metyl-4-nitro-1-penten hvor –NO2-gruppen er forskjøvet fra alkenet dobbeltbinding, der HONO-produksjon ikke ble observert. Dette ga ytterligere bevis for at CIx var nøkkelmellomproduktet for HONO-dannelse.

Som vist i figur 1A, bør ozonreaksjonen med C = C-gruppen i fast fase generere en karbonylgruppe fra den ene siden av dobbeltbindingen og to CI (CIx eller CIz) fra den andre. Rekombinasjon for å gi SOZ er vanlig i faste stoffer. En slik mekanisme er blitt observert, for eksempel i ozonolysen på faste substrater av fosfolipider (57), så vel som alken selvmonterte monolag (58). Mens det ble observert en veldig liten topp rundt 1105 cm − 1 i produktets FTIR-spektrum, lik den som ble observert i fosfolipidreaksjonen og tildelt SOZ, var det ingen ESI-MS-topp på m / z 318 tilsvarende SOZ i NPM-reaksjon. Dermed, hvis SOZ dannes, må det være et mindre produkt. Som bekreftelse ble SOZ fra fosfolipidreaksjonen lett observert av ESI-MS under de samme betingelser. Konvensjonelle ozonolysemekanismer forutsier også at dannelse av karbonylproduktet med en molekylvekt på 227 (P227) fra den større enden av molekylet vil følge genereringen av CIx (kilden til HONO). Selv om en liten infrarød topp på 1708 cm − 1 ble sett ved høyere ozonkonsentrasjoner og kortere reaksjonstider, ble en topp tilsvarende P227 ikke påvist av ESI-MS, noe som tyder på at dette produktet går tapt for sekundære reaksjoner ettersom det blir dannet. p>

Forutsatt at de første trinnene i reaksjonen produserer CIs (fig. 1), som dannes fra den største delen av molekylet, CIz, vil bli generert og kan spaltes eller angripe nabomolekyler (NPM eller P227-produktet) . SI-vedlegg, fig. S7 – S11 viser mulige mekanismer for dannelse av produkter A til E (fig. 3).Selv om slike mekanismer ikke kan bevises, er de rimelige og kan, i motsetning til de vanlige ozonolysemekanismene, forklare de observerte produktene. Merk at den foreslåtte mekanismen for å generere produkt B (masse 240) og produkt D (masse 436) involverer sekundær kjemi av karbonylforbindelsen med masse 227, i samsvar med at 1708-cm-1 toppen bare kan observeres ved høyere ozonkonsentrasjoner og kortere reaksjonstider. Kort sagt, svært uvanlig kjemi må finne sted i O3-reaksjonen med NPM i den faste fasen.

Kinetikken til tapet av NPM ble overvåket med ATR-FTIR (SI-vedlegg, fig. S5B) ved bruk av båndet på 1236 cm − 1. SI-vedlegg, fig. S12 viser typiske pseudo-førsteordens forfall for tap av NPM, lnAA0 = −kt = −k «t, hvor A er absorbansen ved tid t og A0 er den første absorbansen før reaksjon. Tapet av NPM følger førsteordens kinetikk opp til et stort nettotap av NPM. Faktisk, ved tilstrekkelig lange eksponeringer, reagerer i det vesentlige hele NPM. Pseudo-første ordens hastighetskonstanter for forfall av ozon, k «, ble avledet for tap opp til 50%, og er oppsummert i SI-vedlegg, tabell S3.

Et vanlig fenomen for heterogene reaksjoner av faste stoffer er overflatepassivering, der reaksjonen av de øverste få lagene danner et tynt lag av ureaktive produkter som beskytter de underliggende lagene fra ytterligere reaksjon (59⇓ – 61). I dette tilfellet reduseres opptakshastigheten for den reagerende gassen med tiden, noe som til slutt fører til nullopptak og ingen ytterligere reaksjon av det faste stoffet. Imidlertid var det ingen bevis for overflatepassivering her, og ved tilstrekkelig ozoneksponering (kombinasjon av tid og ozonkonsentrasjon) oppstår nesten fullstendig tap av NPM. Dermed må diffusjon gjennom hele filmen og reaksjon finne sted, noe som er viktig for å nøyaktig vurdere skjebnen i miljøet.

For å utforske dette videre, er den kinetiske flerlagsmodellen for aerosoloverflate og bulkkjemi (KM- SUB) -modell (62) ble anvendt for å kvantitativt undersøke rollene som diffusjon og reaksjon i hele filmen, og ga nøkkelinnblikk i både eksperimentene og hensynene som er viktige for å forstå reaksjonene med ozon i luften. Reaksjonsskjemaet er oppsummert i figur 1B. Mens det forenklede settet med reaksjoner er ment å representere dannelsen av de observerte produktene uten å antyde mekanismer, er det i samsvar med de som er vist i SI-vedlegg, fig. S7 – S11. Ekv. 2 (figur 1B) representerer den første dekomponeringsveien for POZ, og genererer CIx som danner HONO så vel som masseproduktet 227 (P227). Ekv. 3 representerer den andre veien for POZ-nedbrytningen, og gir den større CIz som genererer produkt A (likning 4), og reagerer enten med NPM (likning 5) for å generere produkter C og E eller med P227 som ble generert i den første nedbrytningen for å danne produkter B og D (likning 6).

SI-vedlegg, fig. S13 sammenligner, for de best egnede inngangsparametrene oppsummert i SI-vedlegg, tabell S4, tapet av NPM som en funksjon av tid forutsagt av KM-SUB (hel linje) til eksperimentelle data (symboler). Disse representerer den best tilpassede kombinasjonen av diffusjon og reaksjonskinetikk. God tilpasning til eksperimentelle data oppnås over et bredt spekter av forhold. SI-vedlegg, figur S14 viser konturplott av den forutsagte utviklingen av NPM og ozon gjennom filmen som en funksjon av tid ved en lav og en høy ozonkonsentrasjon. Også vist er forutsagte konturer for produktene P227, A og kombinasjonen av C + E. Ved lave O3-konsentrasjoner oppstår reaksjonen nær overflaten, mens reaksjon skjer ved høyere ozonkonsentrasjoner gjennom hele filmen, og fremhever viktigheten av å vurdere både reaksjon og diffusjon. Merk at de forventede toppkonsentrasjonene av P227 er flere størrelsesordener mindre enn de andre produktene, i samsvar med vanskeligheter med å oppdage dette produktet. En annen innsikt fra disse konturene er at reaksjon skjer i hele filmen ved høye O3-konsentrasjoner brukt i de statiske HONO-måleeksperimentene. Dette er i samsvar med det absolutte antall HONO som ble generert, som tilsvarte reaksjon på ~ 34 til 55 ml NPM, forutsatt et gjennomsnittlig 12% HONO-utbytte.

Hastighetskonstanten for NPM-O3-reaksjonen avledet fra modellen er 1 × 10−18 cm3⋅molekyl − 1⋅s − 1, og en innledende reaksjons sannsynlighet er estimert til å være ∼9 × 10−6 etter å ha tatt hensyn til diffusjon og utarmning av reaktant i overflatelaget. Dette er tilsvarende i størrelse som for gassfase-ozonolyse av disubstituerte eller trisubstituerte enkle alkener (17). Diffusjonskoeffisienten for O3 i NPM, D = 9 × 10−10 cm2⋅s − 1, er i verdiområdet som forventes for diffusjon i et amorft fast stoff (63).

Disse studiene illustrerer tydelig at reaksjonsprodukter og mekanismer for komplekse, multifunksjonelle forbindelser kan ikke forutsies nøyaktig basert på de individuelle strukturelle trekkene.Når det gjelder neonicotinoid NPM, er det lite bevis for at den forventede SOZ ble dannet. I stedet genereres svært uvanlige produkter som ikke inneholder oksygen, til tross for det sterkt oksiderende miljøet. Et grundig litteratursøk viste ingen omtale av oksygenfrie produkter fra ozonolysen av et alken. I tillegg genereres produkter med mye høyere molekylmasser enn moderforbindelsen, noe som indikerer kryssreaksjoner av reaktive mellomprodukter med NPM eller med produkter dannet i den første NPM-O3-kjemien. Produksjonen av produkter med høyere molekylmasse krever at KI generert fra den større siden av molekylet dannes nær et annet NPM eller dets reaksjonsprodukter. Påføring som granulat eller blir plukket opp på støvflater etter påføring på jord vil resultere i at NPM er tilstede som tilslag i forskjellige størrelser, så denne kjemien bør gjelde. I tilfelle isolert NPM, for eksempel gjennom systemisk opptak i planter, kan denne CI reagere med andre komponenter i matrisen i stedet for NPM.

Forskjellen mellom ozonolysemekanismen som er foreslått her (figur 1B) og den konvensjonelle mekanismen for alkener (fig. 1A) kan skyldes flere faktorer. For det første kan diffusjon av de mindre fragmentene (CIx og CHONO2) være tilstrekkelig rask i den ødelagte filmen til at den begrenser cycloaddition til å danne SOZ. Selv om diffusjonskoeffisientene for CIx og CHONO2 forventes å være mindre enn for O3 (9 × 10−10 cm2⋅s − 1) på grunn av deres størrelse, kan de fortsatt være i området 10−10 cm2⋅s −1 til 10−11 cm2⋅s − 1. Hvis avstanden som CIx og CHONO2 må reise for å diffundere bort fra det større fragmentet slik at de ikke rekombinerer, er ~ 1 nm, er den tilsvarende diffusjonstiden i størrelsesorden 0,1 ms til 1 ms. To andre prosesser konkurrerer med diffusjon: nedbrytningen av CI og dens 1,3 dipolare syklusbelastning til karbonylet for å danne SOZ. Nedbrytningen av termalisert CI er typisk i størrelsesorden ∼102 s − 1 til 103 s − 1, noe som gir levetider på ∼1 ms til 10 ms (42, 44, 64), i likhet med diffusjonstidene. Syklastdisjonen kan ha steriske krav som er ytterligere begrenset av langsommere bevegelser i det faste stoffet, noe som gjør SOZ-dannelse fra 1,3-syklastdisjon mindre konkurransedyktig.

Salpetersyre genereres i gassfasen, med indikasjoner på at den resultater fra spaltning av –NO2 som inneholder CI. Denne syren absorberes sterkt i den aktiniske regionen som når jordens overflate, og gjennom fotolyse er den en viktig kilde til OH-radikalen som driver kjemien i atmosfæren (17, 65). Mens NPM-O3-reaksjonen er ikke forventet å være en betydelig kilde til HONO i forhold til andre kjente utendørs- og innendørs kilder på global basis (66, 67), kan den spille en rolle lokalt der NPM brukes, og produksjonen i denne reaksjonen er absolutt av mekanistisk interesse.

Til sammen illustrerer disse svært uvanlige og overraskende resultatene at nøyaktig vurdering av miljøskjebnen til slike multifunksjonelle forbindelser krever detaljerte studier fra sak til sak. Slike studier vil være avgjørende i det minste inntil mye mer er kjent at vil tillate utvikling av struktur − reaktivitetsforhold. Å forstå slike mekanismer og produkter vil gi viktig veiledning i utformingen av neste generasjon av forbindelser som plantevernmidler og legemidler for å minimere del eteriske påvirkninger.