Rezultate și discuții
Fig. 2 prezintă spectrometria de masă cu ionizare prin electrospray (ESI-MS) (+) a amestecului de produse solide și NPM nereacționat extras de pe suprafața benzilor de siliciu după reacția cu ozonul. Vârfurile datorate aductilor de protoni, sodiu și potasiu ai NPM nereacționat apar la m / z 271, 293 și respectiv 309, iar vârfurile produsului sunt observate la m / z 212, 241, 433 până la 441 și 465. Analiză directă în studiile de spectrometrie de masă în timp real (DART-MS) au arătat vârfuri similare (anexa SI, fig. S1). Spectrele MS / MS au fost achiziționate pentru fiecare dintre aceste vârfuri (apendicele SI, figurile S2 și S3) și s-au efectuat măsurători precise de masă (apendicele SI, tabelul S1). Pe baza acestor date, sunt propuse produsele prezentate în Fig. 3. Masa exactă măsurată a fiecărui produs este în concordanță cu masa exactă calculată și cu modelele de fragmentare pentru fiecare vârf părinte. Clusterul de vârfuri de la m / z 433 la 441 reprezintă două produse diferite la m / z 433 și 437, cu vârfuri suprapuse datorită izotopilor Cl (35, 37) (Anexa SI, Fig. S4). Rețineți că toate produsele identificate provizoriu de ESI-MS și DART-MS au păstrat grupul terțiar în NPM, sugerând că atacul de ozon asupra aminei terțiare nu este important. Acest lucru este în concordanță cu studiile privind ozonoliza în apă a ranitidinei farmaceutice legate structural, unde reacția cu amina terțiară nu a fost importantă sub pH ≈ 8 (49).
ESI-MS al amestecului de NPM nereacționat și produsele sale de reacție de ozonoliză marcate de la A la E după reacție sub un debit de 1,8 ppm O3 timp de 1,5 ore. Inset este o vedere extinsă a regiunii m / z 430 la 441. Vârful la m / z 258 nu pare a fi un produs de reacție directă, deoarece a apărut doar atunci când apa a fost utilizată ca solvent de extracție și nu a fost prezentă în spectrul DART-MS (apendicele SI, fig. S1).
Structuri propuse și mase exacte de produse solide din reacția NPM − O3. Rețineți că există structuri alternative cu aceeași masă exactă ca produsul B, care sunt mai puțin probabil din punct de vedere mecanic.
Produsele în fază solidă au fost, de asemenea, examinate folosind reflectanță totală atenuată spectroscopie în infraroșu cu transformată Fourier (ATR-FTIR). Fig. 4 prezintă spectrul ATR-FTIR a 20 monostraturi (ML) de NPM solid înainte de expunerea la ozon (linia neagră) și spectrele de diferență după reacție cu 1,15 părți pe milion (ppm) O3 timp de 1 min (linia albastră, extinsă cu un factor de 5 pentru claritate) și pentru 16 minute (linia roșie). Benzile negative la 1592 și 1236 cm − 1 datorate fragmentului –NO2 reprezintă pierderea NPM în timpul reacției, în timp ce benzile pozitive la 1708, 1667 și 1634 cm − 1 se datorează formării produselor. Vârfurile la 1667 și 1634 cm − 1 sunt ambele atribuite lui C = N în imine (50). Primul reprezintă o grupare C = N izolată așa cum se găsește în produsele A, B și D (Fig. 3). Vârful la 1634 cm − 1 este deplasat spre roșu datorită conjugării cu o altă grupă, în concordanță cu produsul C, care este conjugat cu un C = C. În timp ce produsul C este, de asemenea, o alchenă care ar putea, în principiu, să reacționeze în continuare cu ozonul, reactivitatea acestuia poate fi scăzută datorită densității mai mici a electronilor în legătura C = C rezultată din conjugarea cu cele două grupări imină. Poate exista, de asemenea, o contribuție la vârful de 1634 cm-1 de la produsul E, care este conjugat cu o grupare C = O. Cu toate acestea, această contribuție este de așteptat să fie mică, pe baza intensității relative ESI-MS scăzută și a poziției vârfului infraroșu C = O la 1708 cm − 1, care este modificată în roșu comparativ cu cea așteptată pentru un ester (50). O întindere slabă a carbonilului la 1708 cm − 1 este evidentă doar la timpi de reacție scurți. Acest lucru indică faptul că C = O nu crește în timp proporțional cu vârfurile de imină, ceea ce sugerează că este eliminat prin reacții secundare la timpi de reacție mai lungi.
ATR- Spectru FTIR de 20 MLs NPM înainte de reacția cu O3 (negru) și spectrele de diferență după reacție cu 1,15 ppm O3 timp de 1 min (albastru) sau 16 min (roșu). Urma albastră a fost extinsă cu un factor de 5 pentru claritatea prezentării. Spectrul ATR este log (S0 / S1), unde S0 este spectrul cu un singur fascicul al cristalului Ge curat și S1 este spectrul cu un singur fascicul cu stratul subțire de NPM pe cristalul Ge înainte de reacția cu ozonul. Spectrul diferențial este log (S1 / S2), unde S1 este spectrul cu un singur fascicul al NPM înainte de reacție și S2 este spectrul cu un singur fascicul după timpul de reacție declarat, astfel încât modificările spectrelor în comparație cu NPM nereacționate ușor de văzut.
Este destul de neașteptat faptul că, din cele cinci produse în fază solidă observate după ozonoliză, trei nu conțin oxigen, așa cum este stabilit de măsurători precise de masă.Studiile anterioare (51⇓-53) privind ozonoliza enaminelor în soluție au raportat numai produse care conțin oxigen, cum ar fi combinații de alcool carbonilic și hidroperoxizi. Mai mult, trei dintre cele cinci produse au mase moleculare mai mari decât NPM, indicând faptul că intermediarii reactivi formați în reacția inițială cu O3 trebuie apoi să atace NPM.
Combinația de produse în fază gazoasă și solidă a fost interogată folosind transmiterea FTIR în experimentele în modul static (Anexa SI, Fig. S5A). Fig. 5 prezintă diferența de spectru când ozonul a fost adăugat pentru prima dată la celulă (negru) și cel după o oră de reacție (roșu). Ozonul (1054 cm − 1) și NPM (1236 cm − 1) au scăzut și s-au observat vârfuri la 791, 852 și 1263 cm − 1. Acestea sunt caracteristice acidului azotat, HONO (54, 55). Anexa SI, Fig. S6 prezintă o dependență tipică de timp pentru pierderea O3 și formarea HONO. Concentrația de HONO crește și apoi scade încet din cauza ratelor mai mici de formare pe măsură ce ozonul este consumat și HONO se pierde în pereții celulari. Concentrațiile maxime de HONO au fost măsurate în intervalul (2,3-5,0) × 1014 molecule moleccm − 3. Anexa SI, Tabelul S2 rezumă randamentele HONO exprimate ca vârf HONO format împărțit la pierderea corespunzătoare de ozon, cu un randament mediu, ΔHONO / ΔO3, de 0,12 ± 0,03 (1 σ).
Spectrele de transmisie ale fazei solide și gaz combinate atunci când filmele subțiri de NPM pe benzile de Si au fost expuse la O3 în celula prezentată în apendicele SI, Fig. S5A. Așa cum este descris în Materiale și metode, NPM a fost, de asemenea, depus pe ferestrele celulei pentru a detecta pierderea NPM atunci când a fost adăugat O3. Spectrul prezentat în negru este diferența de spectru când ozonul a fost adăugat pentru prima dată la celulă, log (S1 / S2), unde S1 este spectrul cu un singur fascicul al celulei cu pelicule subțiri de NPM pe ferestre înainte de adăugarea de O3 și S2 este un singur fascicul imediat după ce s-a adăugat la celulă O3 (6,3 × 1015 molecule addedcm − 3). Spectrul prezentat în roșu este diferența de spectru după o oră de reacție cu O3. Numărul total inițial de NPM a fost de 6,5 × 1017 molecule, iar cel al O3 a fost de 3,8 × 1017 molecule în celula cu volum de 60 cm3.
O posibilă sursă de HONO în reacția NPM − ozon este descompunerea CI care conține grupa nitro (CIx), • OOCH (•) NO2 → HONO + CO2. Dioxidul de azot nu a fost niciodată observat în faza gazoasă, iar reacția heterogenă pe suprafețe pentru a forma HONO este lentă (56), excludând acest lucru ca sursă. Pentru a testa dacă un CI de acest tip poate forma HONO, s-au efectuat și câteva experimente cu privire la reacția O3 cu faza gazoasă 2-metil-1-nitroprop-1-enă, care ar fi de așteptat să dea același NO2-CI . Acidul azotat s-a format într-adevăr, cu un randament mediu definit ca ΔHONO / ΔO3 de 0,18 ± 0,05 (1σ), susținând acest NO2 − CI ca precursor al HONO (măsurarea creșterii însoțite așteptate de CO2 nu a fost posibilă, din cauza modificărilor fundal în timpul unui experiment). Ca o verificare suplimentară a faptului că caracteristica structurală cheie în producția de HONO este o grupare –NO2 pe carbonul alchenic, a fost efectuat și un experiment cu 4-metil-4-nitro-1-pentenă unde gruparea –NO2 este deplasată din alchenă dublă legătură, unde producția de HONO nu a fost observată. Acest lucru a furnizat dovezi suplimentare că CIx a fost intermediarul cheie pentru formarea HONO.
Așa cum se arată în Fig. 1A, reacția de ozon cu gruparea C = C în faza solidă ar trebui să genereze o grupare carbonil dintr-o parte a legătura dublă și două CI (CIx sau CIz) de la cealaltă. Recombinarea pentru a da SOZ este frecventă în solide. Un astfel de mecanism a fost observat, de exemplu, în ozonoliza pe substraturi solide de fosfolipide (57), precum și monostratele alchene auto-asamblate (58). În timp ce un pic foarte mic în jurul valorii de 1105 cm − 1 a fost observat în spectrul FTIR al produsului, similar cu cel observat în reacția fosfolipidică și atribuit SOZ, nu a existat un pic ESI-MS la m / z 318 corespunzător SOZ în Reacția NPM. Astfel, dacă SOZ este format, acesta trebuie să fie un produs minor. Ca confirmare, SOZ din reacția fosfolipidică a fost ușor observat de ESI-MS în aceleași condiții. Mecanismele convenționale de ozonoliză prezic, de asemenea, că formarea produsului carbonil cu o greutate moleculară de 227 (P227) de la capătul mai mare al moleculei ar însoți generarea de CIx (sursa de HONO). Deși un pic infrarosu mic la 1708 cm − 1 a fost observat la concentrații mai mari de ozon și timpi de reacție mai scurți, un vârf corespunzător P227 nu a fost detectat de ESI-MS, sugerând că acest produs se pierde în reacțiile secundare pe măsură ce se formează. p>
Presupunând că primii pași ai reacției produc CI (Fig. 1), care se formează din partea mai mare a moleculei, CIz, vor fi generați și pot descompune sau ataca moleculele vecine (NPM sau produsul P227) . Anexa SI, Fig. S7 – S11 prezintă mecanisme posibile pentru formarea produselor de la A la E (Fig. 3).Deși astfel de mecanisme nu pot fi dovedite, ele sunt rezonabile și, spre deosebire de mecanismele convenționale de ozonoliză, pot explica produsele observate. Rețineți că mecanismul propus pentru a genera produsul B (masa 240) și produsul D (masa 436) implică chimia secundară a compusului carbonilic de masă 227, în concordanță cu vârful de 1708-cm − 1 fiind observabil numai la concentrații mai mari de ozon și mai mici timpi de reacție. Pe scurt, o reacție chimică extrem de neobișnuită trebuie să aibă loc în reacția O3 cu NPM în faza solidă. banda la 1236 cm − 1. Apendicele SI, Fig. S12 prezintă descompuneri tipice de pseudo-ordinul întâi pentru pierderea NPM, lnAA0 = −kt = −k „t, unde A este absorbanța la momentul t și A0 este absorbanța inițială înainte de reacție. Pierderea de NPM urmează cinetica de ordinul întâi până la o pierdere netă mare de NPM. Într-adevăr, la expuneri suficient de lungi, în esență tot NPM este reacționat. Constantele de rată de pseudo-ordinul I pentru decăderea ozonului, k „, au fost derivate pentru pierderi până la 50% și sunt rezumate în apendicele SI, tabelul S3.
Un fenomen obișnuit pentru reacțiile eterogene ale solidelor este pasivarea suprafeței, unde reacția celor mai puține straturi formează un strat subțire de produse nereactive care protejează straturile subiacente din reacția ulterioară (59⇓ – 61). În acest caz, viteza de absorbție a gazului care reacționează scade în timp, ducând în cele din urmă la absorbția zero și la nicio reacție suplimentară a solidului. Cu toate acestea, nu au existat dovezi pentru pasivarea suprafeței aici și, la expuneri suficiente la ozon (combinație de timp și concentrație de ozon), are loc o pierdere aproape completă de NPM. Astfel, trebuie să aibă loc difuzarea pe tot parcursul filmului, împreună cu reacția, ceea ce este important pentru evaluarea exactă a soartei sale în mediu.
Pentru a explora acest lucru mai departe, modelul cinetic multistrat pentru suprafața aerosolului și chimia în vrac (KM- Modelul SUB) (62) a fost aplicat pentru a examina cantitativ rolurile de difuzie și reacție pe tot parcursul filmului, oferind informații esențiale atât asupra experimentelor, cât și a considerațiilor care sunt importante în înțelegerea reacțiilor sale cu ozonul din aer. Schema de reacție este rezumată în Fig. 1B. În timp ce setul simplificat de reacții este menit să reprezinte formarea produselor observate fără a implica mecanisme, este în concordanță cu cele prezentate în apendicele SI, Fig. S7 – S11. Eq. 2 (Fig. 1B) reprezintă prima cale de descompunere pentru POZ, generând CIx care formează HONO, precum și produsul de masă 227 (P227). Eq. 3 reprezintă a doua cale pentru descompunerea POZ, oferind CIz mai mare care generează produsul A (ecuația 4) și reacționează fie cu NPM (ecuația 5) pentru a genera produsele C și E, fie cu P227 care a fost generat în prima descompunere pentru a forma produsele B și D (ecuația 6).
Apendicele SI, Fig. S13 compară, pentru parametrii de intrare care se potrivesc cel mai bine rezumați în apendicele SI, tabelul S4, pierderea NPM în funcție de timpul prezis de KM-SUB (linie continuă) la datele experimentale (simboluri). Acestea reprezintă cea mai potrivită combinație de difuzie și cinetică de reacție. Potrivirea bună a datelor experimentale se obține într-o gamă largă de condiții. Anexa SI, Fig. S14 prezintă graficele de contur ale evoluției prezise a NPM și ozonului de-a lungul filmului în funcție de timp la o concentrație scăzută și ridicată de ozon. De asemenea, sunt prezentate contururile prevăzute pentru produsele P227, A și combinația de C + E. La concentrații scăzute de O3, reacția are loc lângă suprafață, în timp ce, la concentrații mai mari de ozon, reacția are loc pe tot parcursul filmului, subliniind importanța luării în considerare atât reacție, cât și difuzie. Rețineți că concentrațiile maxime prevăzute pentru P227 sunt cu câteva ordine de mărime mai mici decât celelalte produse, în concordanță cu dificultatea de a detecta acest produs. O altă perspectivă din aceste contururi este că reacția are loc pe tot parcursul filmului la concentrațiile ridicate de O3 utilizate în experimentele statice de măsurare HONO. Acest lucru este în concordanță cu numărul absolut de HONO care a fost generat, care a corespuns reacției de ∼34 la 55 MLs de NPM, presupunând un randament mediu de HONO de 12%.
Constanta de viteză pentru reacția NPM − O3 derivat din model este de 1 × 10−18 cm3⋅moleculă − 1⋅s − 1, iar o probabilitate inițială de reacție este estimată la ∼9 × 10−6 după luarea în considerare a difuziei și epuizării reactantului în stratul de suprafață. Aceasta este similară în mărime cu cea pentru ozonoliza în fază gazoasă a alchenelor simple disubstituite sau trisubstituite (17). Coeficientul de difuzie pentru O3 în NPM, D = 9 × 10−10 cm2⋅s − 1, se află în intervalul valorilor așteptate pentru difuzie într-un solid amorf (63).
Aceste studii ilustrează clar că Produsele de reacție și mecanismele compușilor multifuncționali complecși nu pot fi prezise cu precizie pe baza celor ale caracteristicilor structurale individuale.În cazul NPM neonicotinoid, există puține dovezi că s-a format SOZ-ul așteptat. În schimb, se generează produse extrem de neobișnuite care nu conțin oxigen, în ciuda mediului foarte oxidant. O cercetare aprofundată în literatură nu a arătat nicio mențiune a produselor fără oxigen din ozonoliza unei alchene. În plus, sunt generate produse cu mase moleculare mult mai mari decât compusul părinte, indicând reacții încrucișate ale intermediarilor reactivi cu NPM sau cu produse formate în chimia inițială a NPM-O3. Producerea produselor cu masă moleculară mai mare necesită ca CI generată din partea mai mare a moleculei să fie formată aproape de un alt NPM sau de produsele sale de reacție. Aplicarea sub formă de granule sau preluarea pe suprafețe de praf după aplicarea pe sol va avea ca rezultat prezența NPM ca agregate de diferite dimensiuni, deci ar trebui să se aplice această chimie. În cazul NPM izolat, de exemplu, prin absorbția sistemică în plante, acest CI poate reacționa cu alte componente ale matricei, mai degrabă decât cu NPM.
Diferența dintre mecanismul de ozonoliză propus aici (Fig. 1B) iar mecanismul convențional pentru alchene (Fig. 1A) se poate datora mai multor factori. În primul rând, difuzarea fragmentelor mai mici (CIx și CHONO2) poate fi suficient de rapidă în pelicula întreruptă, încât limitează cicditionarea pentru a forma SOZ. Astfel, în timp ce coeficienții de difuzie pentru CIx și CHONO2 sunt de așteptat să fie mai mici decât cei pentru O3 (9 × 10−10 cm2⋅s − 1) datorită dimensiunii lor, aceștia ar putea fi în continuare în intervalul de 10−10 cm2⋅s −1 până la 10−11 cm2⋅s − 1. Dacă distanța pe care trebuie să o parcurgă CIx și CHONO2 pentru a se difuza departe de fragmentul mai mare astfel încât să nu se recombine este de ± 1 nm, atunci timpul de difuzie corespunzător este de ordinul 0,1 ms la 1 ms. Alte două procese concurează cu difuzia: descompunerea CI și 1,3-cicolaritatea dipolară a acestuia la carbonil pentru a forma SOZ. Descompunerea CI termalizată este de obicei de ordinul ∼102 s − 1 până la 103 s − 1, oferind durate de viață între ∼1 ms și 10 ms (42, 44, 64), similar cu timpii de difuzie. Cicloadiția poate avea cerințe sterice, care sunt în continuare limitate de mișcări mai lente în solid, ceea ce face ca formarea SOZ din 1,3-cicloadiție să fie mai puțin competitivă.
Acidul azotat este generat în faza gazoasă, cu indicații că rezultă din descompunerea CI-ului care conține –NO2. Acest acid se absoarbe puternic în regiunea actinică care ajunge la suprafața Pământului și, prin fotoliza sa, este o sursă majoră a radicalului OH care conduce chimia atmosferei (17, 65). În timp ce reacția NPM − O3 este nu se așteaptă să fie o sursă semnificativă de HONO față de alte surse cunoscute de exterior și interior la nivel global (66, 67), poate juca un rol local acolo unde este utilizat NPM, iar producția sa în această reacție este cu siguranță de interes mecanicist.
Luate împreună, aceste rezultate foarte neobișnuite și surprinzătoare ilustrează faptul că evaluarea exactă a destinelor de mediu ale acestor compuși multifuncționali necesită studii detaliate, de la caz la caz. Astfel de studii vor rămâne esențiale cel puțin până când se știe mult mai mult că va permite dezvoltarea relațiilor structură-reactivitate. Înțelegerea acestor mecanisme și produse va oferi îndrumări importante în proiectarea următoarei generații de compuși precum pesticide și produse farmaceutice pentru a reduce impacturi eterice.