Nieoczekiwane powstawanie produktów beztlenowych i kwasu azotawego w wyniku ozonolizy neonikotynoidu nitenpyramu

Wyniki i dyskusja

Ryc. 2 przedstawia spektrometrię mas z jonizacją przez elektrorozpylanie (ESI-MS) (+) mieszaniny produktów stałych i nieprzereagowanego NPM wyekstrahowanego z powierzchni pasków krzemu po reakcji z ozonem. Piki spowodowane adduktami protonu, sodu i potasu nieprzereagowanego NPM występują odpowiednio przy m / z 271, 293 i 309, a piki produktu są obserwowane przy m / z 212, 241, 433 do 441 i 465. Analiza bezpośrednia w badaniach spektrometrii mas w czasie rzeczywistym (DART-MS) wykazały podobne piki (dodatek SI, rys. S1). Dla każdego z tych pików pobrano widma MS / MS (załącznik SI, rys. S2 i S3) i przeprowadzono dokładne pomiary masy (załącznik SI, tabela S1). Na podstawie tych danych zaproponowano produkty pokazane na rys. 3. Zmierzona dokładna masa każdego produktu jest zgodna z obliczoną dokładną masą i wzorami fragmentacji dla każdego piku macierzystego. Skupisko pików przy m / z 433 do 441 przedstawia dwa różne produkty przy m / z 433 i 437, z nakładającymi się pikami z powodu izotopów Cl (35, 37) (dodatek SI, rys. S4). Należy zauważyć, że wszystkie produkty wstępnie zidentyfikowane przez ESI-MS i DART-MS zachowały trzeciorzędową grupę w NPM, co sugeruje, że atak ozonu na trzeciorzędową aminę nie jest ważny. Jest to zgodne z badaniami ozonolizy w wodzie farmaceutycznej ranitydyny o podobnej budowie, gdzie reakcja z trzeciorzędową aminą nie była istotna poniżej pH ≈ 8 (49).

Produkty w fazie stałej były również badane przy użyciu osłabiony całkowity współczynnik odbicia spektroskopii w podczerwieni z transformacją Fouriera (ATR-FTIR). Rys. 4 przedstawia widmo ATR-FTIR 20 monowarstw (MLs) stałego NPM przed wystawieniem na działanie ozonu (czarna linia) oraz widma różnicowe po reakcji z 1,15 części na milion (ppm) O3 przez 1 min (niebieska linia, rozszerzona o współczynnik 5 dla przejrzystości) i przez 16 minut (czerwona linia). Ujemne prążki przy 1592 i 1236 cm-1 z powodu ugrupowania –NO2 reprezentują utratę NPM podczas reakcji, podczas gdy dodatnie prążki przy 1708, 1667 i 1634 cm-1 są spowodowane tworzeniem się produktów. Piki przy 1667 i 1634 cm-1 przypisano C = N w iminach (50). Pierwsza reprezentuje izolowaną grupę C = N, taką jak znaleziona w produktach A, B i D (rys. 3). Pik przy 1634 cm-1 jest przesunięty na czerwono z powodu koniugacji z inną grupą, zgodnie z produktem C, który jest sprzężony z C = C. Chociaż produkt C jest również alkenem, który w zasadzie mógłby dalej reagować z ozonem, jego reaktywność może być zmniejszona ze względu na mniejszą gęstość elektronów w wiązaniu C = C wynikającą z sprzęgania z dwiema grupami iminowymi. Może również występować udział w piku 1634 cm-1 z produktu E, który jest sprzężony z grupą C = O. Oczekuje się jednak, że wkład ten będzie niewielki na podstawie niskiej względnej intensywności ESI-MS i położenia piku podczerwieni C = O przy 1708 cm-1, który jest przesunięty ku czerwieni w porównaniu z oczekiwanym dla estru (50). Słabe rozciągnięcie karbonylu przy 1708 cm-1 jest widoczne tylko przy krótkich czasach reakcji. Wskazuje to, że C = O nie zwiększa się w czasie proporcjonalnie do pików iminy, co sugeruje, że jest usuwane przez reakcje wtórne przy dłuższych czasach reakcji.

Jest całkiem nieoczekiwane, że z pięciu produktów w fazie stałej obserwowanych po ozonolizie, trzy nie zawierają tlenu, jak ustalono dokładne pomiary masy.Wcześniejsze badania (51–53) ozonolizy enamin w roztworze wykazały tylko produkty zawierające tlen, takie jak kombinacje karbonylowo-alkoholowe i wodoronadtlenki. Ponadto trzy z pięciu produktów mają większą masę cząsteczkową niż NPM, co wskazuje, że reaktywne produkty pośrednie powstałe w początkowej reakcji z O3 muszą następnie atakować NPM.

Kombinację produktów w fazie gazowej i stałej zbadano za pomocą transmisja FTIR w eksperymentach w trybie statycznym (dodatek SI, rys. S5A). Rys. 5 przedstawia widmo różnicowe, gdy ozon został po raz pierwszy dodany do ogniwa (kolor czarny) i po godzinie reakcji (kolor czerwony). Ozon (1054 cm-1) i NPM (1236 cm-1) zmniejszyły się i zaobserwowano piki przy 791, 852 i 1263 cm-1. Są one charakterystyczne dla kwasu azotawego HONO (54, 55). Załącznik SI, Rys. S6 przedstawia typową zależność od czasu utraty O3 i tworzenia HONO. Stężenie HONO rośnie, a następnie powoli spada z powodu wolniejszego tempa tworzenia się ozonu w miarę zużywania się ozonu i utraty HONO w ścianach komórkowych. Zmierzone maksymalne stężenia HONO mieściły się w zakresie (2,3 do 5,0) × 1014 cząsteczek cm-3. Dodatek SI, tabela S2 podsumowuje plony HONO wyrażone jako szczyt utworzony HONO podzielony przez odpowiednią utratę ozonu, przy średniej wydajności ΔHONO / ΔO3 0,12 ± 0,03 (1 σ).

Możliwym źródłem HONO w reakcji NPM-ozon jest rozkład CI, który zawiera grupę nitrową (CIx), • OOCH (•) NO2 → HONO + CO2. Dwutlenek azotu nigdy nie był obserwowany w fazie gazowej, a jego heterogeniczna reakcja na powierzchniach w celu utworzenia HONO przebiega powoli (56), co wyklucza to jako źródło. Aby sprawdzić, czy CI tego typu może tworzyć HONO, przeprowadzono również pewne eksperymenty dotyczące reakcji O3 z 2-metylo-1-nitroprop-1-enem w fazie gazowej, który powinien dawać ten sam NO2-CI . Kwas azotowy rzeczywiście powstał, ze średnią wydajnością zdefiniowaną jako ΔHONO / ΔO3 wynoszącą 0,18 ± 0,05 (1σ), potwierdzając ten NO2 − CI jako prekursor HONO (pomiar oczekiwanego towarzyszącego wzrostu CO2 nie był możliwy ze względu na zmiany tło podczas eksperymentu). Aby dodatkowo sprawdzić, czy kluczową cechą strukturalną w produkcji HONO jest grupa –NO2 na węglu alkenowym, przeprowadzono również eksperyment z 4-metylo-4-nitro-1-pentenem, w którym grupa –NO2 jest wyparta z alkenu. podwójne wiązanie, gdzie nie zaobserwowano produkcji HONO. To dostarczyło dalszych dowodów, że CIx był kluczowym związkiem pośrednim w tworzeniu HONO.

Jak pokazano na Rys. 1A, reakcja ozonu z grupą C = C w fazie stałej powinna generować grupę karbonylową z jednej strony wiązanie podwójne i dwa CI (CIx lub CIz) z drugiego. Rekombinacja w celu uzyskania SOZ jest powszechna w ciałach stałych. Taki mechanizm zaobserwowano np. W ozonolizie stałych substratów fosfolipidów (57), a także samoorganizujących się monowarstw alkenu (58). Podczas gdy w widmie FTIR produktu zaobserwowano bardzo mały pik około 1105 cm-1, podobny do tego obserwowanego w reakcji fosfolipidów i przypisanego do SOZ, nie było piku ESI-MS przy m / z 318 odpowiadającego SOZ w Reakcja NPM. Tak więc, jeśli powstaje SOZ, musi to być produkt drugorzędny. Jako potwierdzenie, SOZ z reakcji fosfolipidów można było łatwo zaobserwować metodą ESI-MS w tych samych warunkach. Konwencjonalne mechanizmy ozonolizy przewidują również, że tworzenie produktu karbonylowego o masie cząsteczkowej 227 (P227) z większego końca cząsteczki będzie towarzyszyć wytwarzaniu CIx (źródła HONO). Chociaż niewielki pik w podczerwieni przy 1708 cm-1 zaobserwowano przy wyższych stężeniach ozonu i krótszych czasach reakcji, pik odpowiadający P227 nie został wykryty przez ESI-MS, co sugeruje, że produkt ten jest tracony podczas tworzenia się wtórnych reakcji.

Zakładając, że w pierwszych etapach reakcji powstają CI (ryc. 1), które powstają z większej części cząsteczki CIz i mogą rozkładać się lub atakować sąsiednie cząsteczki (NPM lub produkt P227) . Dodatek SI, ryc. S7 – S11 pokazuje możliwe mechanizmy tworzenia produktów od A do E (rys. 3).Chociaż takich mechanizmów nie można udowodnić, są one uzasadnione i, w przeciwieństwie do konwencjonalnych mechanizmów ozonolizy, mogą wyjaśniać zaobserwowane produkty. Należy zauważyć, że proponowany mechanizm wytwarzania produktu B (masa 240) i produktu D (masa 436) obejmuje chemię wtórną związku karbonylowego o masie 227, zgodnie z pikiem 1708 cm-1 obserwowanym tylko przy wyższych stężeniach ozonu i krótszych czasy reakcji. Krótko mówiąc, w reakcji O3 z NPM w fazie stałej musi zachodzić bardzo nietypowa chemia.

Kinetykę utraty NPM monitorowano za pomocą ATR-FTIR (dodatek SI, rys. S5B) stosując pasek przy 1236 cm-1. Dodatek SI, Rys. S12 przedstawia typowe rozpady pseudo-pierwszego rzędu dla utraty NPM, lnAA0 = −kt = −k „t, gdzie A to absorbancja w czasie t, a A0 to początkowa absorbancja przed reakcją. NPM podąża za kinetyką pierwszego rzędu aż do dużej straty netto NPM. Rzeczywiście, przy dostatecznie długich ekspozycjach, reaguje zasadniczo cały NPM. Stałe szybkości pseudo-pierwszego rzędu rozpadu ozonu, k „, zostały wyprowadzone dla strat do 50% i są podsumowane w Załączniku SI, Tabela S3.

Powszechnym zjawiskiem dla heterogenicznych reakcji ciał stałych jest pasywacja powierzchni, gdzie reakcja kilku górnych warstw tworzy cienką warstwę niereaktywnych produktów, które osłaniają leżące poniżej warstwy z dalszej reakcji (59⇓ – 61). W tym przypadku szybkość wchłaniania gazu reakcyjnego zmniejsza się z czasem, ostatecznie prowadząc do zerowego wchłaniania i braku dalszej reakcji ciała stałego. Jednak nie było tutaj dowodów na pasywację powierzchni, a przy wystarczającej ekspozycji na ozon (połączenie czasu i stężenia ozonu) następuje prawie całkowita utrata NPM. W związku z tym musi nastąpić dyfuzja w całej folii wraz z reakcją, co jest ważne dla dokładnej oceny jej losów w środowisku.

Aby to zbadać dalej, kinetyczny model wielowarstwowy dla powierzchni aerozolu i chemii masowej (KM- Model SUB) (62) zastosowano do ilościowego zbadania roli dyfuzji i reakcji w całym filmie, dostarczając kluczowych informacji zarówno na temat eksperymentów, jak i rozważań, które są ważne dla zrozumienia jego reakcji z ozonem w powietrzu. Schemat reakcji podsumowano na Rys. 1B. Chociaż uproszczony zestaw reakcji ma przedstawiać tworzenie obserwowanych produktów bez implikowania mechanizmów, jest zgodny z tymi przedstawionymi w dodatku SI, ryc. S7 – S11. Eq. 2 (Ryc. 1B) przedstawia pierwszą ścieżkę dekompozycji dla POZ, generującą CIx, który tworzy HONO, jak również produkt masy 227 (P227). Eq. 3 reprezentuje drugą ścieżkę rozkładu POZ, dając większy CIz, który generuje produkt A (równanie 4) i reaguje albo z NPM (równanie 5), aby wytworzyć produkty C i E lub z P227, który został wygenerowany podczas pierwszego rozkładu w celu utworzenia iloczynów B i D (równanie 6).

Dodatek SI, rys. S13 porównuje, dla najlepiej dopasowanych parametrów wejściowych podsumowanych w dodatku SI, tabela S4, utratę NPM jako funkcję czas przewidywany przez KM-SUB (linia ciągła) do danych eksperymentalnych (symbole). Stanowią one najlepiej dopasowaną kombinację dyfuzji i kinetyki reakcji. Dobre dopasowanie do danych eksperymentalnych uzyskuje się w szerokim zakresie warunków. Dodatek SI, Rys. S14 przedstawia wykresy konturowe przewidywanej ewolucji NPM i ozonu w całej warstwie w funkcji czasu przy niskim i wysokim stężeniu ozonu. Przedstawiono również przewidywane kontury produktów P227, A i kombinacji C + E.Przy niskich stężeniach O3 reakcja zachodzi blisko powierzchni, podczas gdy przy wyższych stężeniach ozonu reakcja zachodzi w całej folii, co podkreśla znaczenie rozważenia zarówno reakcja, jak i dyfuzja. Należy zauważyć, że przewidywane maksymalne stężenia P227 są o kilka rzędów wielkości mniejsze niż w przypadku innych produktów, co jest zgodne z trudnością w wykryciu tego produktu. Innym wnioskiem płynącym z tych konturów jest to, że reakcja zachodzi w całej warstwie przy wysokich stężeniach O3 stosowanych w statycznych eksperymentach pomiarowych HONO. Jest to zgodne z bezwzględną liczbą wygenerowanych HONO, które odpowiadały reakcji od ∼34 do 55 ml NPM, przy założeniu średniej 12% wydajności HONO.

Stała szybkości reakcji NPM-O3 z modelu wynosi 1 × 10−18 cm3⋅molecule − 1⋅s − 1, a prawdopodobieństwo początkowej reakcji szacuje się na ∼9 × 10−6 po uwzględnieniu dyfuzji i ubytku reagenta w warstwie powierzchniowej. Jest to podobne pod względem wielkości do ozonolizy w fazie gazowej dwupodstawionych lub trójpodstawionych prostych alkenów (17). Współczynnik dyfuzji dla O3 w NPM, D = 9 × 10−10 cm2⋅s − 1, mieści się w zakresie wartości oczekiwanych dla dyfuzji w amorficznym ciele stałym (63).

Badania te jasno pokazują, że produktów reakcji i mechanizmów dla złożonych, wielofunkcyjnych związków nie można dokładnie przewidzieć na podstawie poszczególnych cech strukturalnych.W przypadku neonikotynoidowego NPM niewiele jest dowodów na to, że powstał spodziewany SOZ. Zamiast tego, pomimo silnie utleniającego środowiska, powstają bardzo nietypowe produkty, które nie zawierają tlenu. Dokładne przeszukanie literatury nie wykazało żadnej wzmianki o produktach beztlenowych pochodzących z ozonolizy alkenu. Ponadto generowane są produkty o znacznie większej masie cząsteczkowej niż związek macierzysty, co wskazuje na reakcje krzyżowe reaktywnych półproduktów z NPM lub z produktami powstałymi w początkowej fazie chemii NPM-O3. Produkcja produktów o większej masie cząsteczkowej wymaga, aby CI generowany z większej strony cząsteczki był tworzony w pobliżu innego NPM lub produktów jego reakcji. Stosowanie w postaci granulek lub zbieranie na powierzchniach pylących po nałożeniu na gleby spowoduje, że NPM będzie obecny w postaci kruszyw o różnych rozmiarach, dlatego należy zastosować tę chemię. W przypadku izolowanego NPM, na przykład poprzez układową absorpcję w roślinach, ten CI może reagować z innymi składnikami macierzy zamiast NPM.

Różnica między proponowanym tu mechanizmem ozonolizy (ryc. 1B) a konwencjonalny mechanizm dla alkenów (ryc. 1A) może wynikać z kilku czynników. Po pierwsze, dyfuzja mniejszych fragmentów (CIx i CHONO2) może być na tyle szybka w rozerwanej warstwie, że ogranicza cykloaddycję do utworzenia SOZ. Tak więc, chociaż oczekuje się, że współczynniki dyfuzji dla CIx i CHONO2 będą mniejsze niż współczynniki dyfuzji dla O3 (9 × 10−10 cm2⋅s − 1) ze względu na ich rozmiar, nadal mogą zawierać się w zakresie 10−10 cm2⋅s −1 do 10−11 cm2⋅s − 1. Jeśli odległość, jaką CIx i CHONO2 muszą pokonać, aby rozproszyć się od większego fragmentu, aby nie rekombinowały, wynosi ∼1 nm, to odpowiedni czas dyfuzji jest rzędu 0,1 ms do 1 ms. Z dyfuzją konkurują dwa inne procesy: rozkład CI i jego 1,3 dipolarna cykloaddycja do karbonylu z utworzeniem SOZ. Rozkład termalizowanego CI jest zwykle rzędu 2102 s − 1 do 103 s − 1, co daje okresy życia od ∼1 ms do 10 ms (42, 44, 64), podobne do czasów dyfuzji. Cykloaddycja może mieć wymagania przestrzenne, które są dodatkowo ograniczane przez wolniejsze ruchy w ciele stałym, co powoduje, że tworzenie SOZ z 1,3-cykloaddycji jest mniej konkurencyjne.

Kwas azotowy jest wytwarzany w fazie gazowej, co wskazuje na to, że wynika z rozkładu CI zawierającego –NO2. Kwas ten silnie wchłania się w obszarze aktynicznym docierającym do powierzchni Ziemi i poprzez swoją fotolizę jest głównym źródłem rodnika OH, który napędza chemię atmosfery (17, 65). Podczas gdy reakcja NPM-O3 jest nie oczekuje się, że będzie znaczącym źródłem HONO w porównaniu z innymi znanymi źródłami zewnętrznymi i wewnętrznymi w skali globalnej (66, 67), może odgrywać rolę lokalnie tam, gdzie stosowany jest NPM, a jego wytwarzanie w tej reakcji jest z pewnością przedmiotem zainteresowania mechanistycznego.

Podsumowując, te bardzo niezwykłe i zaskakujące wyniki pokazują, że dokładna ocena losów środowiskowych takich wielofunkcyjnych związków wymaga szczegółowych, indywidualnych studiów przypadków. Takie badania pozostaną istotne przynajmniej do czasu, gdy będzie wiadomo więcej, że pozwoli opracować relacje reaktywności struktury. Zrozumienie takich mechanizmów i produktów dostarczy ważnych wskazówek w projektowaniu następnej generacji związków, takich jak pestycydy i farmaceutyki, w celu zminimalizowania eteryczne skutki.