氟氯氰菊酯的手性拆分及光解特征

張文樹　趙家賀　李朝陽　李巧玲　劉魁　羅湘南　崔建升

摘要：氟氯氰菊酯是一種重要的擬除蟲菊酯類殺蟲劑，含有3個手性中心、8個對映體。本試驗首先采用液相色譜法對其手性分離進行了研究，然后將各對映體水解為相應的二氯菊酸，通過對已知絕對構(gòu)型的二氯菊酸進行手性分析，確定氟氯氰菊酯對映體的絕對構(gòu)型和出峰順序。在此基礎上，采用室內(nèi)模擬方法對氟氯氰菊酯對映體的光解和異構(gòu)化行為進行研究。結(jié)果表明，氟氯氰菊酯的光解速度較快，半衰期約為11 d，同時伴隨著少量異構(gòu)體轉(zhuǎn)化，該異構(gòu)化主要發(fā)生在氟氯氰菊酯三元環(huán)的1、3位手性碳上，而α-手性碳不發(fā)生變化。

關鍵詞：氟氯氰菊酯；光解；異構(gòu)化；對映體；半衰期

中圖分類號： S482.3+5文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2014）01-0271-03

收稿日期：20133-05-06

基金項目：國家自然科學基金（編號：20707005）；教育部留學回國人員科研啟動基金（編號：教外司留[2009]1001號）。

作者簡介：張文樹（1984—），男，河北承德人，碩士，主要從事分析化學的研究。E-mail：414152641@qq.com。

通信作者：李朝陽，教授，研究方向為環(huán)境分析化學。E-mail：lizy666@aliyun.com。氟氯氰菊酯（cyfluthrin，CF）是重要的擬除蟲菊酯殺蟲劑，由于其活性高、毒性低，既可殺蟲也可殺螨，近年來使用非常廣泛。菊酯類農(nóng)藥在使用時，往往會噴撒在作物的葉莖表面，在光照作用下則發(fā)生光解反應，光解是農(nóng)藥在環(huán)境中消解的主要方式之一。氟氯氰菊酯結(jié)構(gòu)較復雜，有3個手性中心，存在8個對映體（圖1），各對映體之間的活性有明顯的差異[1]。本研究首先采用液相色譜法對氟氯氰菊酯的對映體進行拆分，確定各對映體的流出順序，在此基礎上對其對映體的光解和異構(gòu)化行為進行了研究。有關氟氯氰菊酯在環(huán)境中的消解已報道過[2-3]，但基本都是將其看作一個化合物，在對映體水平上研究其光解行為還未見相關報道。

1 材料與方法

1.1儀器和試劑

安捷倫1200型高效液相色譜儀，G1314B紫外檢測器，G1310A單元泵，G1322A真空脫氣機，Agilent Chem Station色譜工作站；160 W汞燈（南京東華電子集團有限公司）；KUDOS-SK5200LHC 超聲波清洗器（上?？茖С晝x器有限公司）；THD-0506恒溫槽（寧波天恒儀器廠）；自制光解儀箱長55 cm，箱寬45 cm，箱頂懸掛一汞燈，底部放一玻璃套杯，玻璃片距光源8 cm，通過循環(huán)水控制光解溫度。

氟氯氰菊酯，純度98.3%，上海市農(nóng)藥研究所；二氯菊酸，純度92.5%，南開大學元素所；分析純正己烷、天津永大化學試劑有限公司；分析純異丙醇，天津市凱通化學試劑有限公司，用前重蒸，經(jīng)0.45 μm濾膜過濾，超聲排氣。

1.2色譜柱和色譜條件

手性色譜柱（250 mm × 4.6 mm×5 μm）為日本Daicel公司的Chiralcel OD-H[纖維素-三（3，5-二甲基苯基氨基甲酸酯）]，分離氟氯氰菊酯的流動相為正己烷-異丙醇（體積比100 ∶1），分離二氯菊酸的流動相為正己烷-異丙醇-三氟乙酸（體積比100 ∶0.5 ∶0.1）。非手性柱為大連依利特“佳杰”硅膠柱（250 mm × 4.6 mm×5 μm），流動相為正己烷 -異丙醇（體積比100 ∶0.08）。所有色譜檢測均在 25 ℃、230 nm波長下進行，流速1.0 mL/min，進樣量20 μL。

1.3手性拆分方法

氟氯氰菊酯含有3個手性中心，因此有4個順反異構(gòu)體，每個順反異構(gòu)體又含有2個對映體，具體為cis-Ⅰ（1S-cis-αS+1R-cis-αR）、cis-Ⅱ（1S-cis-αR+1R-cis-αS）、trans-Ⅲ（1S-trans-αS+1R-trans-αR）、trans-Ⅳ（1S-trans-αR+1R-trans-αS）。氟氯氰菊酯的8個對映體在手性柱上不能同時分離，因此本研究采用分步拆分法，即先在非手性硅膠柱上分離順反異構(gòu)體，再在手性柱上對各順反異構(gòu)體分別進行拆分。

1.4對映體的液相色譜分離制備

取10 mg氟氯氰菊酯標準品用正己烷定容至10 mL，標準溶液濃度約為1 mg/mL，先在非手性硅膠柱上進行拆分，制備4個順反異構(gòu)體，其后在手性柱上分離順反異構(gòu)體制備單一對映體。制備過程中，在異構(gòu)體或?qū)τ丑w出峰時，收集相應的流出液，吹干，正己烷溶解后定量。

1.5水解試驗[4]

取1 mg氟氯氰菊酯對映體用甲醇溶解，轉(zhuǎn)移至100 mL錐形瓶中，加入體積比為4 ∶1的甲醇-氫氧化鈉（濃度為20%）混合液40 mL，磁力攪拌器上攪拌2 d。水解完成后，吹干甲醇，由于溶液為堿性條件，二氯菊酸以鈉鹽的形式存在，加入20 mL二氯甲烷萃取3次，棄去。向上層水相中加入濃鹽酸，將溶液pH值調(diào)至1～2，加入20 mL二氯甲烷以萃取二氯菊酸3次，合并二氯甲烷后用少量無水硫酸鈉吸附含有的少量水，高純氮氣吹干，正己烷溶解后待測。

1.6光解試驗

移液管準確移取含單一氟氯氰菊酯對映體的正己烷溶液，等量均勻滴于7個直徑為2.5 cm的圓形玻璃片上，待正己烷完全揮發(fā)后，放置在玻璃套杯中，置于160 W汞燈光解儀中，通循環(huán)水控制套杯溫度為（28±0.1） ℃，進行光照，分別于0、2、4、6、9、12、15 d后取回玻璃片，用正己烷淋洗，吹干，定容，測定。

2結(jié)果與分析

2.1手性拆分及對映體流出順序

氟氯氰菊酯含有4個順反異構(gòu)體可在硅膠柱上基線分離（圖2）。筆者所在課題組的研究[5]已證實，在硅膠柱上第2、第4個峰為cis-Ⅱ和trans-Ⅳ，為了確定第1、第3個峰的構(gòu)型，對氟氯氰菊酯進行了甲醇異構(gòu)化試驗。劉維屏等證實含 α-手性碳的菊酯在甲醇中會發(fā)生的α-碳的消旋化[6-7]，因此本研究首先將cis-Ⅱ溶解于甲醇，24 h后吹干甲醇，正己烷溶解后在硅膠柱上測定，結(jié)果發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生了第1個色譜峰，由順反異構(gòu)體的結(jié)構(gòu)可知cis-Ⅱ經(jīng)α-碳消旋化會產(chǎn)生 cis-Ⅰ，因此第1個峰為cis-Ⅰ異構(gòu)體。對trans-Ⅳ進行類似的消旋化試驗，證實第3個峰為trans-Ⅲ。endprint

在硅膠柱上制備氟氯氰菊酯的4個順反異構(gòu)體，然后在Chiralcel OD-H手性柱上分別進行手性分離，其色譜圖見圖3。在正己烷-異丙醇（體積比100 ∶1）流動相下，每個順反異構(gòu)體所含的2個對映體均得到基線分離，分離度>1.5。

為了確定各對映體的絕對構(gòu)型，本研究將8個對映體分別水解為相應的二氯菊酸對映體。二氯菊酸對應于氟氯氰菊酯的酸性部分，含有2個手性中心，因此有4個對映異構(gòu)體。Lee等已經(jīng)對二氯菊酸的手性分離進行了詳細研究，在Chiralcel-OD手性柱上其4個對映體可得到基線分離， 并利

用對映體標樣確定了其流出順序為1S-cis、1R-cis、1S-trans、1R-trans[8]。本研究對二氯菊酸的手性分離采用與Lee等相同的分離柱和色譜條件，因此對映體的流出順序應與其相同，通過氟氯氰菊酯對映體水解得到的二氯菊酸進行手性分析，即可推知氟氯氰菊酯對映體的流出順序和絕對構(gòu)型。例如，cis-Ⅰ的2個對映體根據(jù)出峰順序標記為CF-1、CF-2（圖3），水解后得到的二氯菊酸對映體標記為PA-1、PA-2。圖4給出了二氯菊酸標樣、PA-1和PA-2在Chiralcel-OD-H柱上的分離譜圖，很明顯PA-1和PA-2分別為1S-cis和1R-cis，根據(jù)cis-Ⅰ2個對映體的結(jié)構(gòu)可以推知CF-1和CF-2應為1S-cis-αS和1R-cis-αR。同理，cis-Ⅱ、trans-Ⅲ和trans-Ⅳ所含對映體的絕對構(gòu)型也可根據(jù)相應的二氯菊酸手性分析推得，具體見圖3。

2.2對映體的光解及異構(gòu)化

取氟氯氰菊酯單一的1S-cis-αR對映體（屬cis-Ⅱ的一個對映體）進行光解試驗，結(jié)果表明，氟氯氰菊酯在光解過程中不但存在著自身的降解還存在著異構(gòu)化，圖5給出了試驗后0、15 d的硅膠柱分離的色譜圖，用外標法測定不同時間各對映體的含量（表1），結(jié)果顯示，異構(gòu)化產(chǎn)物的含量均較低，未超過總量的10%。將對映體總量按一級動力學進行模擬，計算的半衰期為11.8 d，相關系數(shù)為0.971。

進一步用硅膠柱將試驗后15 d時相應的cis-Ⅰ、cis-Ⅱ、trans-Ⅲ、trans-Ⅳ 制備下來，并用手性色譜柱確定其所含對映體，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，4種異構(gòu)體在手性柱上均只出現(xiàn)1個峰，對照圖3的出峰時間得到4種對映體的絕對構(gòu)型為cis-Ⅰ：1R-cis-αR、cis-Ⅱ：1S-cis-αR、trans-Ⅲ：1R-trans-αR、trans-Ⅳ：1S-trans-αR。根據(jù)氟氯氰菊酯的化學結(jié)構(gòu)可發(fā)現(xiàn)，1S-cis-αR對映體轉(zhuǎn)化為另3種對映體，在轉(zhuǎn)化過程中，只有1、3位手性碳發(fā)生翻轉(zhuǎn)，α-手性碳沒有發(fā)生變化。為了驗證這一現(xiàn)象，本研究還對另外3種對映體 1S-trans-αR、1R-cis-αS、1R-trans-αS進行了光解試驗，結(jié)果表明，3種對映體在光解過程中也發(fā)生了異構(gòu)化，且只有1、3位手性碳發(fā)生翻轉(zhuǎn)，α-手性碳保持原有構(gòu)型。

表11S-cis-αR對映體光解過程中各對映體的定量結(jié)果

對映體1不同培養(yǎng)時間下對各映體的定數(shù)（μg）0 d12 d14 d16 d19 d112 d115 d1R-cis-αR10.010.110.311.310.4110.610.81S-cis-αR130.0125.7122.3120.6118.9116.2112.21R-trans-αR10.010.410.611.511.110.910.81S-trans-αR10.010.611.011.111.311.411.2

3結(jié)論

Liu等曾研究了含有α-手性碳的菊酯類農(nóng)藥在極性溶劑（如醇和水）中會發(fā)生α-手性碳的消旋化[6-7]。而本研究結(jié)果表明，菊酯類農(nóng)藥在光解過程中α-手性碳結(jié)構(gòu)保持不變，三元環(huán)上的1，3-手性碳會發(fā)生翻轉(zhuǎn)。Ruzo等曾研究了氯菊酯和溴氰菊酯的光解，也證實其在光解中發(fā)生了 1，3-手性碳的翻轉(zhuǎn)[9-10]，與本研究結(jié)果類似。具體的翻轉(zhuǎn)原因可能是三元環(huán)性質(zhì)比較活潑，極易發(fā)生開環(huán)反應[11]，在光照作用下，氟氯氰菊酯中的三元環(huán)可能發(fā)生了開環(huán)和成環(huán)反應，從而產(chǎn)生異構(gòu)化，而α-手性碳結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，不易發(fā)生變化。相關研究成果對詳細考察氟氯氰菊酯的環(huán)境歸趨，評估其環(huán)境風險性有重要意義。

參考文獻：

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