萘普生及其光解产物在水环境中的光化学反应机理研究

发布时间：2020-06-09 10:21

【摘要】：药物和个人护理产品(PPCPs)作为新型环境污染物,其环境归趋和生态毒性受公众关注。环境中的药物残留更因频繁检出、伪持久性和生态风险等特点而成为关注的焦点。光化学转化是药物在水环境中的主要降解途径。研究药物在水环境中的光化学转化机理对于生态环境安全具有重要意义。因而,本文以水环境中经常检出的非甾体消炎药萘普生(NP)和它的两个重要光解产物1-(6-甲氧基-2-萘基)乙醇(4a)、2-乙酰基-6-甲氧基萘(13a)为模型,采用光化学实验和量子化学计算相结合的方法,考察了 NP不同质子化形态脱羧、活性氧物种(ROS)如羟基自由基(·OH)、单线态氧(1O2)和超氧阴离子自由基(·O2-)等对光化学反应动力学、光解路径等的影响,同时研究了无机氮、常用助溶剂及单线态氧猝灭剂1,4-二氮杂二环[2.2.2]辛烷(DABCO)对NP光解体系的影响,以阐明萘普生及其光解产物在水环境中的光化学反应机理。主要的研究内容和结果如下:(1)NP光解机理:本文采用DFT计算与实验相结合的方法,探讨了 NP光解体系的内在机理,阐明了不同ROS在光解反应中的贡献。①在进行NP直接光解脱羧反应时,去质子化NP的反应能垒(△G(?)=9.8kcal·mol-1)远远低于质子化NP的反应能垒(△G(?)=64.4 kcal·mol-1)。说明NP的三重态去质子化形式比质子化形式反应活性更高。而实验结果表明,体系初始pH越高(pH7.2),反应速率越快,这说明当NP以去质子化形式存在时,光化学反应速率更快。②考察S1态和T1态之间的能差,证明NP是通过n→π*跃迁形成激发态且T1态占主要地位,而1a,4a和13a则是通过π→π*跃迁形成激发态,以单重态占主要地位。即NP的脱羧反应很可能是在T1态下发生的,而1a,4a和13a的光解反应很可能在S1态下发生。③根据相对自由能垒和猝灭实验结果,羟基自由基对1a(△G(?)eff=7.6kcal·mol-1)和4a(△G(?)eff=7.0 kcal·mol-1)的间接光解具有主要影响,而1O2和·O2-对它们的间接光解影响作用相当。④对13a后续光解反应位点和可能的反应产物进行了预测。13a的C2和C7位点可能被羟基自由基攻击,13a的C6-C11键可能断裂。这三个位点反应后生成的产物均在实验中被检测到。(2)无机氮的影响:在天然水体中,以硝酸根(NO3-)、铵根(NH4+)和中间态亚硝酸根(NO2-)形式存在的无机氮对药物光化学转化有重要的影响。本文研究了水中不同形态无机氮对NP、4a和13a光降解的影响。实验结果表明,NH4+对于NP及产物的光解几乎没有影响,NO2-和NO3-对NP、4a和13a的光解均表现出抑制作用。NO2-和NO3--对NP的影响主要是光屏蔽效应;而对4a和13a光解影响的主导因素是由光化学反应体系中产生的·NO、·NO2同·OH的竞争关系造成的间接抑制。光化学反应体系中·OH、·NO2和·NO氧化4a和13a的化学反应活化能垒呈现上升趋势(4a:7.0、21.2和54.4 kcal·mol-1;13a:34.5、47.1和70.3 kcal·mol-1)。活化能垒的差异表明,光化学反应体系中生成的·N02和·NO将会导致反应速率下降,这也诠释了 NO2-和NO3-对4a和13a光解抑制的差异性。(3)助溶剂的影响:在研究微量有机化学污染物的光化学行为时,为了增加药品溶解度,往往采用甲醇等有机溶剂助溶,导致光化学反应体系中含有少量有机溶剂。但反应体系中存在的有机溶剂对光化学反应的影响情况尚缺乏系统研究。本文对比了含少量甲醇、乙醇、乙腈、异丙醇和纯水反应体系中NP和4a,13a的光化学反应动力学,结果表明乙腈对于NP及其光解产物光解的影响是最小的,甲醇和乙醇次之,异丙醇影响最大。并分别计算了·OH攻击甲醇、乙醇、乙腈和异丙醇脱氢的反应活化能垒,依次为 8.54 kcal·mol-1、7.61 kcal·mol-1、12.52 kcal·mol-1 和 7.17 kcal·mol-1。由此可见,异丙醇和·OH的反应速率最快,乙醇次之;和·OH的反应速率最慢的是乙腈。因此,理论计算结果与实验现象吻合。说明这些有机溶剂在光化学反应体系中,均可以通过猝灭羟基自由基来影响光化学反应的速率。因此,在研究活性氧物种对难溶于水的药物光解机制的影响时,必须考虑助溶的有机溶剂如甲醇、乙醇、乙腈等对·OH的猝灭作用,尽量避免残留在反应体系中的有机溶剂造成实验结果的误读。(4)猝灭剂DABCO的影响。实验证明单线态氧的猝灭剂DABCO在水环境中可能和13a发生基于电子转移的光还原反应。推测该光还原反应包括五个步骤,并通过理论计算验证:①13a在经过紫外光照射后被激发到S1态,再经系间窜越到T1态,然后T1态的13a和DABCO发生电子转移反应。②DABCO在水环境中会夺氢,自身质子化。对比4种水分子簇模型的质子化过程,证明DABCO的质子化过程能垒很小。③三重态13a和DABCO发生两类电子转移反应。一是T1态的13a和DABCO光致电子转移,生成13a的阴离子自由基(13a·-)和DABCO正离子自由基(DABCO·+);二是13a·-DABCO·+离子对经过热反馈电子转移反应回到基态13a和DABCO。④13a阴离子自由基和质子化DABCO的质子转移机理有两种,一是DABCOH+传递一个氢给13a阴离子自由基,生成13a羰基自由基。二是·DABCOH2+转移一个氢给13a,使13a质子化形成碳正离子。⑤产物的形成。13a羰基自由基可耦合生成频哪醇产物。而13a质子化形成碳正离子可与水发生亲核反应生成二醇类产物。经质谱检测表明这两种产物均在反应体系中生成。因此,单线态氧的猝灭剂DABCO在水环境中可使13a发生光还原反应。
【图文】：

路径图,药物,路径,肠道微生物

图１－２药物在体内转化的路径逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｍｅｔａｂｏｌｉｃ邋ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｓ邋ｏｆ邋ｐｈａｒｍａｃｅｕｔｉｃａｌｓ邋ｉｎ邋ｖｉｖｏ逡逑药物活性化合物从体内消除的方式为代谢和排泄。图１－２展示了药物在体内代谢逡逑转化的路径。给药后，排泄前，药物可能通过肠道微生物或酶进行代谢转化［￣。体内逡逑转化通常分为两个阶段。在第一阶段，水解、还原和氧化反应将母体化合物改性为极逡逑９逡逑

示意图,光化学反应,示意图

２．２．１仪器与试剂逡逑ＳＧＹＩＩＢ．Ｙ１型多功能光化学反应仪（南京斯东柯电气设备有限公司），光化学反逡逑应器如图２－１所示，，使用方法见文献描述［１９８１。光源为１００Ｗ、１２０Ｗ和５００Ｗ高压汞灯，逡逑主波长为２５４ｍｎ；邋ｐＨＳ－３Ｃ型酸度计（上海精密科学仪器有限公司）；ＬＣ－２０ＡＴ高效逡逑液相色谱仪（日本岛津公司）；超纯水系统（Ｓｍａｒｔ２Ｐｕｒｅ，德国ＴＫＡ）。逡逑ＮＰ、４ａ和１３ａ，购于阿法埃莎公司，纯度＞９９％；甲醇、乙醇、乙腈均为色谱纯，逡逑购于上海安谱科学仪器有限公司；硫酸、氢氧化钠、异丙醇等（分析纯，成都科龙化逡逑工试剂厂）；实验用水均为超纯水。逡逑Ｉｎｌｅｔ邋ｏｆ逡逑ｃｏｏｌ邋ｗａｔｅｒ逦Ｏｕｔｌｅｔ邋ｏｆ邋＾逡逑ｗａｔｅｒ逡逑Ｃｉｒｃｕｌａｔｉｎｇ逡逑ｗａｔｅｒ邋ｗｅｌｌ逡逑＾逦0ｉ逦逡逑？逦邋Ｉ逦＠１逦逡逑Ｑｕａｒｔｚ邋ｔｕｂｅ邋广邋丁邋］。￣邋Ｌｉｇｈｔ逡逑Ｌｉｇｈｔ邋ｆｉｌｔｅｒ、，，一一Ｈ、、、逡逑图２－１光化学反应仪示意图逡逑Ｆｉｇ．邋２－１邋Ｒｏｔａｒｙ邋ｐｈｏｔｏｃｈｅｍｉｃａｌ邋ｒｅａｃｔｏｒ逡逑２．２．２光化学实验逡逑（１）有机溶剂助溶的溶液配制逡逑用乙腈配制ＩｍＭ的ＮＰ储备液于棕色容量瓶中。光化学实验前，移取一定量的该逡逑储备液于４０ｍＬ石英试管中，并用超纯水定容，在超声振荡器振荡助溶，配置成一定逡逑浓度的ＮＰ水溶液，并用硫酸或氢氧化钠调节其ｐＨ为７。如上方法配
【学位授予单位】：广东工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X13;X52

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