Oväntad bildning av syrefria produkter och salpetersyra från ozonolysen av neonicotinoid nitenpyram

Resultat och diskussion

Fig. Figur 2 visar elektrosprayjoniseringsmasspektrometri (ESI-MS) (+) av blandningen av fasta produkter och oreagerad NPM extraherad från ytan av kiselremsor efter reaktion med ozon. Toppar på grund av proton-, natrium- och kaliumaddukterna av oreagerad NPM uppträder vid m / z 271, 293 respektive 309 och produkttoppar observeras vid m / z 212, 241, 433 till 441 och 465. Direkt analys i realtidsmasspektrometri (DART-MS) studier visade liknande toppar (SI Appendix, Fig. S1). MS / MS-spektra förvärvades för var och en av dessa toppar (SI Appendix, Fig. S2 och S3) och exakta massmätningar utfördes (SI Appendix, Tabell S1). Baserat på dessa data föreslås de produkter som visas i fig. 3. Den uppmätta exakta massan för varje produkt överensstämmer med den beräknade exakta massan och med fragmenteringsmönstren för varje föräldertopp. Klyftan av toppar vid m / z 433 till 441 representerar två olika produkter vid m / z 433 och 437, med överlappande toppar på grund av Cl-isotoperna (35, 37) (SI-bilaga, figur S4). Observera att alla produkter som preliminärt identifierats av ESI-MS och DART-MS har bevarat den tertiära gruppen i NPM, vilket tyder på att ozonangrepp på den tertiära aminen inte är viktigt. Detta överensstämmer med studier av ozonolys i vatten av det strukturellt besläktade farmaceutiska ranitidinet där reaktionen med den tertiära aminen inte var viktig under pH ≈ 8 (49).

Fastfasprodukter undersöktes också med försvagad total reflektans Fourier transform infraröd spektroskopi (ATR-FTIR). Fig 4 visar ATR-FTIR-spektrumet av 20 monolager (ML) av fast NPM före exponering för ozon (svart linje) och skillnadsspektra efter reaktion med 1,15 delar per miljon (ppm) O3 under 1 min (blå linje, expanderad med en faktor 5 för tydlighet) och i 16 minuter (röd linje). Negativa band vid 1592 och 1236 cm − 1 på grund av –NO2-delen representerar förlust av NPM under reaktionen, medan positiva band vid 1708, 1667 och 1634 cm − 1 beror på bildandet av produkter. Topparna vid 1667 och 1634 cm − 1 tilldelas båda C = N i iminer (50). Den förstnämnda representerar en isolerad C = N-grupp som finns i produkterna A, B och D (fig. 3). Toppen vid 1634 cm-1 är rödförskjuten på grund av konjugering med en annan grupp, i överensstämmelse med produkt C, som är konjugerad med en C = C. Medan produkt C också är en alken som i princip kan reagera vidare med ozon, kan dess reaktivitet minskas på grund av mindre elektrontäthet i C = C-bindningen till följd av konjugering med de två imingrupperna. Det kan också finnas ett bidrag till 1634-cm − 1-toppen från produkt E, som är konjugerad med en C = O-grupp. Detta bidrag förväntas dock vara litet baserat på den låga ESI-MS relativa intensiteten och positionen för den infraröda toppen C = O vid 1708 cm -1, som är rödförskjuten jämfört med den förväntade för en ester (50). En svag karbonylsträckning vid 1708 cm − 1 är uppenbar endast vid korta reaktionstider. Detta indikerar att C = O inte ökar med tiden proportionellt med imintopparna, vilket antyder att den avlägsnas genom sekundära reaktioner vid längre reaktionstider.

Det är ganska oväntat att av de fem fastfasprodukterna som observeras efter ozonolys innehåller tre inget syre, vilket fastställts av exakta massmätningar.Tidigare studier (51⇓ – 53) av ozonolys av enaminer i lösning rapporterade endast syreinnehållande produkter såsom karbonyl-alkoholkombinationer och hydroperoxider. Dessutom har tre av de fem produkterna högre molekylmassor än NPM, vilket indikerar att reaktiva mellanprodukter bildade i den initiala reaktionen med O3 sedan måste attackera NPM.

Kombinationen av gas- och fastfasprodukter förhördes med användning av överföring FTIR i statiskt läge-experiment (SI Appendix, Fig. S5A). Fig. 5 visar skillnadsspektrumet när ozon först tillsattes till cellen (svart) och det efter en timmes reaktion (röd). Ozon (1054 cm − 1) och NPM (1236 cm − 1) minskade och topparna vid 791, 852 och 1263 cm − 1 observerades. Dessa är karakteristiska för salpetersyra, HONO (54, 55). SI Appendix, Fig. S6 visar ett typiskt tidsberoende för O3-förlust och HONO-bildning. HONO-koncentrationen kammar och minskar sedan långsamt på grund av långsamma bildningshastigheter när ozonet konsumeras och HONO förloras till cellväggarna. Högsta HONO-koncentrationer mättes i intervallet (2,3 till 5,0) × 1014 molekyler molec cm − 3. SI Appendix, tabell S2 sammanfattar HONO-avkastningen uttryckt som den högsta HONO som bildats dividerat med motsvarande ozonförlust, med ett genomsnittligt utbyte, ΔHONO / ΔO3, av 0,12 ± 0,03 (1 σ).

En möjlig källa till HONO i NPM − ozonreaktionen är sönderdelning av CI som innehåller nitrogruppen (CIx), • OOCH (•) NO2 → HONO + CO2. Kvävedioxid observerades aldrig i gasfasen och dess heterogen reaktion på ytor för att bilda HONO är långsam (56), vilket utesluter detta som en källa. För att testa om ett CI av denna typ kan bilda HONO utfördes också några experiment på reaktionen av O3 med gasfas 2-metyl-1-nitroprop-1-en, vilket skulle förväntas ge samma NO2-CI . Salpetersyra bildades verkligen, med ett genomsnittligt utbyte definierat som ΔHONO / ΔO3 på 0,18 ± 0,05 (1σ), vilket stödde denna NO2-CI som föregångare till HONO (mätning av den förväntade åtföljande ökningen av CO2 var inte möjlig på grund av förändringar i bakgrund under ett experiment). Som en ytterligare kontroll av att det viktigaste strukturella inslaget i HONO-produktion är en –NO2-grupp på alkenkol, utfördes också ett experiment med 4-metyl-4-nitro-1-penten där –NO2-gruppen förskjuts från alkenet dubbelbindning, där HONO-produktion inte observerades. Detta gav ytterligare bevis för att CIx var nyckelmellanprodukten för HONO-bildning.

Som visas i fig. 1A, bör ozonreaktionen med C = C-gruppen i den fasta fasen generera en karbonylgrupp från en sida av dubbelbindningen och två CI (CIx eller CIz) från den andra. Rekombination för att ge SOZ är vanligt i fasta ämnen. En sådan mekanism har till exempel observerats vid ozonolys på fasta substrat av fosfolipider (57) såväl som alken självmonterade monolager (58). Medan en mycket liten topp omkring 1105 cm − 1 observerades i produktens FTIR-spektrum, liknande den som observerades i fosfolipidreaktionen och tilldelades SOZ, fanns det ingen ESI-MS-topp vid m / z 318 motsvarande SOZ i NPM-reaktion. Således, om SOZ bildas, måste det vara en mindre produkt. Som bekräftelse observerades SOZ från fosfolipidreaktionen lätt av ESI-MS under samma betingelser. Konventionella ozonolysmekanismer förutsäger också att bildandet av karbonylprodukten med en molekylvikt av 227 (P227) från den större änden av molekylen skulle åtfölja genereringen av CIx (källan till HONO). Även om en liten infraröd topp vid 1708 cm − 1 sågs vid högre ozonkoncentrationer och kortare reaktionstider, upptäcktes inte en topp motsvarande P227 av ESI-MS, vilket tyder på att denna produkt förloras för sekundära reaktioner när den bildas.

Förutsatt att de första stegen i reaktionen producerar CI (Fig. 1), som bildas från den större delen av molekylen, CIz, kommer att genereras och kan sönderdelas eller attackera angränsande molekyler (NPM eller P227-produkten) . SI-bilaga, fig. S7 – S11 visar möjliga mekanismer för bildning av produkterna A till E (fig. 3).Även om sådana mekanismer inte kan bevisas är de rimliga och kan, till skillnad från konventionella ozonolysmekanismer, förklara de observerade produkterna. Observera att den föreslagna mekanismen för att generera produkt B (massa 240) och produkt D (massa 436) involverar sekundär kemi av karbonylföreningen med massa 227, vilket överensstämmer med att 1708-cm-1-toppen endast kan observeras vid högre ozonkoncentrationer och kortare reaktionstider. Kort sagt, mycket ovanlig kemi måste äga rum i O3-reaktionen med NPM i den fasta fasen.

Kinetiken för förlusten av NPM övervakades med ATR-FTIR (SI Appendix, Fig. S5B) med användning av bandet vid 1236 cm − 1. SI Appendix, Fig. S12 visar typiska pseudo − första ordens sönderfall för förlusten av NPM, lnAA0 = −kt = −k ”t, där A är absorbansen vid tidpunkten t och A0 är den initiala absorbansen före reaktion. Förlusten av NPM följer första ordningens kinetik upp till en stor nettoförlust av NPM. Faktum är att vid tillräckligt långa exponeringar reagerar i huvudsak hela NPM. Pseudo-första ordningens hastighetskonstanter för förfall av ozon, k ”, härleddes för förluster upp till 50%, och sammanfattas i SI Appendix, tabell S3.

Ett vanligt fenomen för heterogena reaktioner av fasta ämnen är ytpassivering, där reaktion av de översta skikten bildar ett tunt lager av oreaktiva produkter som skyddar de underliggande skikten från ytterligare reaktion (59⇓ – 61). I detta fall minskar upptagningshastigheten för den reagerande gasen med tiden, vilket slutligen leder till nollupptagning och ingen ytterligare reaktion av det fasta ämnet. Det fanns dock inga bevis för ytpassivering här, och vid tillräcklig exponering för ozon (kombination av tid och ozonkoncentration) inträffar nästan fullständig förlust av NPM. Således måste diffusion genom hela filmen tillsammans med reaktion äga rum, vilket är viktigt för att exakt bedöma dess öde i miljön.

För att utforska detta ytterligare är den kinetiska flerskiktsmodellen för aerosolyt- och bulkkemi (KM- SUB) -modellen (62) användes för att kvantitativt undersöka rollerna för diffusion och reaktion genom hela filmen, vilket gav nyckelinsikter i både experimenten och överväganden som är viktiga för att förstå dess reaktioner med ozon i luften. Reaktionsschemat sammanfattas i fig IB. Medan den förenklade uppsättningen av reaktioner är avsedd att representera bildandet av de observerade produkterna utan att antyda mekanismer, är det förenligt med de som visas i SI-tillägg, fig. S7 – S11. Ekv. 2 (fig IB) representerar den första sönderdelningsvägen för POZ, vilket genererar CIx som bildar HONO såväl som mass 227-produkten (P227). Ekv. 3 representerar den andra vägen för POZ-sönderdelning, vilket ger den större CIz som genererar produkt A (ekv. 4) och reagerar antingen med NPM (ekv. 5) för att generera produkter C och E eller med P227 som genererades i den första sönderdelningen för att bilda produkterna B och D (ekv. 6).

SI Appendix, Fig. S13 jämför för de bästa passande ingångsparametrarna som sammanfattas i SI Appendix, tabell S4, förlusten av NPM som en funktion av tid förutsedd av KM-SUB (hel linje) till experimentdata (symboler). Dessa representerar den bäst passande kombinationen av diffusion och reaktionskinetik. Bra anpassningar till de experimentella uppgifterna erhålls under ett brett spektrum av förhållanden. SI Appendix, Fig. S14 visar konturdiagram över den förutsagda utvecklingen av NPM och ozon genom filmen som en funktion av tiden vid en låg och en hög ozonkoncentration. Även visade förutspådda konturer för produkterna P227, A och kombinationen av C + E. Vid låga O3-koncentrationer inträffar reaktionen nära ytan, medan reaktion sker vid högre ozonkoncentrationer genom hela filmen, vilket betonar vikten av att överväga både reaktion och diffusion. Observera att de förutspådda toppkoncentrationerna av P227 är flera storleksordningar mindre än de andra produkterna, vilket överensstämmer med svårigheten att upptäcka denna produkt. En annan insikt från dessa konturer är att reaktionen sker i hela filmen vid de höga O3-koncentrationer som används i de statiska HONO-mätningsexperimenten. Detta överensstämmer med det absoluta antalet HONO som genererades, vilket motsvarade reaktion av ~ 34 till 55 ml NPM, förutsatt att ett genomsnittligt 12% HONO-utbyte antogs.

Hastighetskonstanten för NPM-O3-reaktionen härledd från modellen är 1 × 10−18 cm3⋅molekyl − 1⋅s − 1, och en initial reaktionssannolikhet beräknas vara ∼9 × 10−6 efter att ha beaktat diffusion och utarmning av reaktanten i ytskiktet. Detta är ungefär lika stort som för gasfas-ozonolys av disubstituerade eller trisubstituerade enkla alkener (17). Diffusionskoefficienten för O3 i NPM, D = 9 × 10−10 cm2⋅s − 1, ligger inom det värde som förväntas för diffusion i ett amorft fast ämne (63).

Dessa studier illustrerar tydligt att reaktionsprodukter och mekanismer för komplexa, multifunktionella föreningar kan inte förutsägas exakt baserat på de individuella strukturella egenskaperna.När det gäller neonicotinoid NPM finns det få bevis för att den förväntade SOZ bildades. Istället genereras mycket ovanliga produkter som inte innehåller syre, trots den mycket oxiderande miljön. En grundlig litteratursökning visade inget om syrefria produkter från ozonolysen av en alken. Dessutom genereras produkter med mycket högre molekylmassor än moderföreningen, vilket indikerar korsreaktioner mellan reaktiva mellanprodukter med NPM eller med produkter som bildats i den ursprungliga NPM-O3-kemin. Produktionen av produkter med högre molekylmassa kräver att CI genereras från den större sidan av molekylen bildas nära en annan NPM eller dess reaktionsprodukter. Applicering som granulat eller som plockas upp på dammytor efter applicering på jord kommer att resultera i att NPM finns som aggregat i olika storlekar, så denna kemi bör gälla. I fallet med isolerad NPM, till exempel genom systemiskt upptag i växter, kan detta CI reagera med andra komponenter i matrisen snarare än NPM.

Skillnaden mellan ozonolysmekanismen som föreslås här (Fig. 1B) och den konventionella mekanismen för alkener (fig. 1A) kan bero på flera faktorer. För det första kan diffusion av de mindre fragmenten (CIx och CHONO2) vara tillräckligt snabb i den avbrutna filmen för att den begränsar cykloaddition för att bilda SOZ. Även om diffusionskoefficienterna för CIx och CHONO2 förväntas vara mindre än för O3 (9 × 10−10 cm2⋅s − 1) på grund av deras storlek, kan de fortfarande ligga inom intervallet 10−10 cm2⋅s −1 till 10−11 cm2⋅s − 1. Om avståndet som CIx och CHONO2 måste resa för att diffundera bort från det större fragmentet så att de inte rekombinerar är ~ 1 nm, är motsvarande diffusionstid i storleksordningen 0,1 ms till 1 ms. Två andra processer konkurrerar med diffusion: nedbrytningen av CI och dess 1,3 dipolära cykloaddition till karbonylen för att bilda SOZ. Sönderdelningen av termiserad Cl är typiskt i storleksordningen ∼102 s − 1 till 103 s − 1, vilket ger livstider på ∼1 ms till 10 ms (42, 44, 64), liknande diffusionstiderna. Cykloadditionen kan ha steriska krav som ytterligare begränsas av långsammare rörelser i det fasta materialet, vilket gör SOZ-bildning från 1,3-cycloaddition mindre konkurrenskraftig.

Salpetersyra genereras i gasfasen med indikationer på att den resultat från sönderdelningen av –NO2 innehållande CI. Denna syra absorberas starkt i det aktiniska området som når jordens yta, och genom dess fotolys är det en viktig källa till OH-radikalen som driver atmosfärens kemi (17, 65). Medan NPM − O3-reaktionen är förväntas inte vara en betydande källa till HONO i förhållande till andra kända utomhus- och inomhuskällor på global basis (66, 67), kan det spela en roll lokalt där NPM används, och dess produktion i denna reaktion är verkligen av mekanistiskt intresse.

Sammantaget illustrerar dessa mycket ovanliga och överraskande resultat att en noggrann bedömning av miljömässiga öden hos sådana multifunktionella föreningar kräver detaljerade fall-till-fall-studier. Sådana studier kommer att förbli väsentliga åtminstone tills mycket mer är gör det möjligt att utveckla förhållanden mellan struktur och reaktivitet. Att förstå sådana mekanismer och produkter kommer att ge viktig vägledning vid utformningen av nästa generation av föreningar som bekämpningsmedel och läkemedel för att minimera eterious impact.