烯丙基异硫氰酸酯在水溶液中的稳定性研究

刘艳凤，喻少帆，李嘉诚，冯玉红，李伏坤

(1.海南大学材料与化工学院，海南 海口 570228;2.北京市农林科学院，北京 100097)

烯丙基异硫氰酸酯在水溶液中的稳定性研究

刘艳凤1，喻少帆2，李嘉诚1，冯玉红1，李伏坤1

(1.海南大学材料与化工学院，海南 海口 570228;2.北京市农林科学院，北京 100097)

采用温度、时间、pH、超声频率4个考察因素设计正交试验，研究其对水溶液中烯丙基异硫氰酸酯稳定性的影响.将异硫氰酸酯溶解在含有少量甲醇的水溶液中，通过HPLC检测烯丙基异硫氰酸酯的浓度变化，来考察各因素对其稳定性影响程度.结果表明，时间因素对烯丙基异硫氰酸酯降解的影响程度最大，其次是超声频率、温度、pH.对降解后的混合物用石油醚进行萃取，并通过LC－MS，GC－MS进行检测分析，烯丙基异硫氰酸酯降解的主要产物是烯丙基硫氰酸和环丙基异硫氰酸酯，而且随着烯丙基异硫氰酸酯的降解，烯丙基硫氰酸和环丙基异硫氰酸酯的含量逐渐增加.

烯丙基异硫氰酸酯;异硫氰酸酯;稳定性;水解

异硫氰酸酯(ITC)也叫芥末油，自由存在于芥菜、山葵和辣根等十字花科的植物中或由十字花科植物中的硫代葡萄糖苷通过黑芥子酶或化学反应降解产生(见图1)［1］.异硫氰酸酯主要有苯乙基异硫氰酸酯、苯丙基异硫氰酸酯、苯乙烯苄酯、烯丙基异硫氰酸酯、莱菔硫烷等(见图2)，不同十字花科植物中含有的硫代葡萄糖苷的种类、含量有所不同，进而降解后的产物也有差别［2］.

图1 芥子苷在黑芥子酶作用下水解生成AITC的反应

烯丙基异硫氰酸酯(AITC)是芥末、山葵中最重要的风味化合物，具有强烈的刺激性气味，主要通过烯丙基硫苷(简称芥子苷)降解产生［3－4］.在工业生产上异硫氰酸酯是重要的有机合成中间体，常用卤化烃与硫氰酸盐反应，或者腈氧化物和硫脲在四氢呋喃中反应等方法来制备［5］.

烯丙基异硫氰酸酯(AITC)是异硫氰酸酯中最主要的成分之一，它作为调味品或风味剂广泛应用于食品工业中.烯丙基异硫氰酸酯具有很强的抑菌生物活性，是有潜力的防腐剂［6］;同时，它在医药领域又有一定的抗癌作用［7－8］.而在农药领域，它具有防治根结线虫的作用，同时对镰孢菌、茼麻均表现出良好的效果［9－10］，被用作土壤熏蒸剂来抑制线虫、土壤真菌、土壤昆虫、杂草种子;将烯丙基异硫氰酸酯与其他农药制成复配剂，具有显著的增效杀虫作用［11－12］.

图2 几种异硫氰酸酯的结构式

由于AITC独特的化学结构，导致其稳定性较差.有研究表明，密封的AITC水溶液在37℃下10 d，AITC可降解75% ～90%;而相同AITC在氮气保护下降解很少［13］.在实际生产、应用过程中温度、pH值、光照、溶剂等很多因素，对AITC的稳定性都有潜在的影响.超声乳化、超声雾化、超声凝聚等技术常用于农药剂型加工，为此，本实验考虑了超声频率对AITC的稳定性的影响.为深入考察AITC稳定性的影响因素，本实验通过对AITC水溶液在不同的温度、时间、超声频率和pH值条件下的降解研究，设计正交试验来考察这4个因素对AITC降解的影响，并进一步采用GC－MS和LC－MS对降解产物进行检测，以期为进一步开发一种新型的植物源农药提供基础数据.

1 实验部分

1.1 仪器和试剂Varian Prostar 218高效液相色谱仪(HPLC)，配有紫外检测器.XunDA79－1型磁力搅拌器(上海讯达机电仪器仪表有限公司)，GUTEL SG1200HE超声波清洗机(上海冠特超声仪器有限公司)，KESHENG KS－120EI超声波清洗机(宁波海曙科生超声设备有限公司)，Aglient Technologies 1200 Series/6210 Time－of－Flight液相－质谱联用仪，HP6890/5973MSD气相－质谱联用仪.

烯丙基异硫氰酸酯(φ=92.99%，南京康满林化工实业有限公司)、超纯水(电阻率≥18.2 MΩ·cm)，色谱纯乙腈、无水甲醇.磷酸氢二钠、磷酸二氢钾、盐酸均为分析纯.

1.2 缓冲液的配置配置0.2 mol·L－1的磷酸氢二钠、磷酸二氢钾溶液各1 000 mL和0.1 mol·L－1的盐酸溶液500 mL;将3种溶液按照适当比例进行混合，准确测定各溶液的pH值，配置成pH值分别为4，6，8的3种磷酸盐缓冲溶液.

1.3 标准溶液的配置准确称量AITC(φ=92.99%)样品69.9 mg，用25 mL的甲醇溶解后，用超纯水定容到50 mL;取适量AITC溶液，分别稀释为原溶液浓度的0.8，0.6，0.4，0.2，0.1倍;取原溶液以及稀释好的溶液各20.0 μL进样，按液相色谱条件［14］，测定吸收峰面积.以吸收峰面积为纵坐标，以AITC溶液质量浓度为横坐标作图，绘制标准曲线.

1.4 烯丙基异硫氰酸酯的降解称量约0.65 g的AITC放到100 mL的二口圆底烧瓶中，加入1 mL的甲醇和50 mL的磷酸盐缓冲液，搅拌使AITC充分溶解，然后将圆底烧瓶放在超声清洗器里，超声、加热回流，每隔10 min取样2 mL样品，用45 μm水相针头过滤器过滤后进行液相色谱检测.整个降解反应以温度、pH值、超声频率、回流提取时间为考察因素，按L9(34)正交试验表(表1)进行试验，以确定AITC降解的最大影响因素.

表1 正交试验因素水平表

1.5 AITC降解产物的定性分析取AITC 5 g，用10 mL甲醇和20 mL pH=8的磷酸盐缓冲液进行充分溶解，在40℃、超声频率为59 kHz的水浴中加热20 min.样品冷却到室温后，取2 mL用超纯水稀释50倍，用孔径0.45 μm水相针头过滤器进行过滤后LC－MS测定;剩余的样品用适量乙醚萃取3次，挥干乙醚，得到ITC挥发油，将其在4℃避光密封保存，用来进行GC－MS定性分析.

1.6 高效液相、质谱检测条件取2 mL左右的AITC的降解溶液放到离心管中，然后用Varian ProStar 218高效液相色谱仪进行测定.检测参数［14］:UV检测波长为205 nm;色谱柱:Waters C18柱(5 μm，4.6×10 mm);流动相为:水(A)和乙腈(B);流速:1 mL·min－1;浓度梯度:0～2 min A∶B=0∶100;2 ～15 min线性变为A∶B=65∶35;15～20 mim保持A∶B=65∶35不变;20～30 min线性变为A∶B=0∶100.

质谱检测条件:电喷雾ESI源正离子模式，离子源温度300℃ ，覆盖电压3 500 V，碎裂器电压175 V，气流量10 L·min－1，分离器电压65 V，喷雾压50 psi.

1.7 ITC挥发油GC-MS检测气相色谱条件:石英毛细管柱HP－FFAP(30 m×0.25 mm，0.25 μm);程序升温:从60℃开始，保持3 min，以10 min·℃－1升到150℃，再以15 min·℃－1升到250℃;载气为He，柱流量为1.0 mL·min－1，进样口温度250 ℃，分流比100∶1.

质谱条件:EI源，电离电压70 eV，离子源温度230℃，扫描范围10～500 aum，进样量1.0 μL.

2 结果与讨论

2.1 AITC标准曲线的绘制标准品进样量及相应峰面积测定结果见表2.回归方程为y=18 864x+1.9E+6，R2=0.998 6.表明AITC进样量在w=130～1 300范围内线性关系良好.在此基础上，每批样品都通过两点法校正的标准曲线计算样品中AITC的浓度.

表2 标准品的进样量与相应的峰面积

2.2 AITC降解的正交试验结果在水中没有空白列，故此不能进行方差分析.由表3得出RD＞RC＞RA＞RB，可知AITC在水溶液中降解30 min时降解率影响最大的是时间，接下来依次是超声频率、温度、pH.AITC的结构决定了其化学活泼性和不稳定性.AITC的结构中有两个π键，且存在电负性不同的氮、硫原子之间，因此π键易极化，这种极化结果使碳原子获得了某种程度上的正电荷，因此碳原子易与一些负离子或带电试剂反应.超声、温度、pH、时间、水溶液等因素对烯丙基异硫氰酸酯的降解都有影响.超声主要是由于超声空化效应产生的局部瞬时高温、高压促使水分子产生大量的·OH、·H自由基，这些未配对电子的自由基可直接氧化AITC，使其快速降解.水分子和OH－可对AITC分子进行亲核加成反应.pH值和温度对AITC的降解是重要因素，低pH值和低温度抑制AITC的降解.

表3 正交试验L9(34)结果分析表

2.3 AITC降解产物的定性判定及其变化趋势GC－MS主要检测到AITC和环丙基异硫氰酸酯(CPITC)两种物质，见图3.通过电喷雾ESI源正离子模式检测到出峰时间为10.093 min，11.153 min，15.480 min 3种物质的准分子离子峰全部为98.0;由此可判断，在10.093 min出峰的物质为烯丙基硫氰酸(ATC)，11.153 min出峰的物质为环丙基异硫氰酸酯(CPITC)，15.480 min出峰的物质为烯丙基异硫氰酸酯(AITC).

图3 AITC降解产物的气质色谱图

图4 AITC降解的HPLC叠加图谱

图5 AITC在不同条件下的剩余率

图6 CPITC在不同条件的增加

图7 ATC在不同条件的增加

3 结论

超声、温度、pH、时间、水溶液等因素对烯丙基异硫氰酸酯的降解都有影响.异硫氰酸酯类物质都含有─N＝C＝S基团，其稳定性同样会受到超声、温度、pH、水溶液等因素的影响，从而降低了物质的活性.为此，在异硫氰酸酯类物质作为杀菌剂、线虫抑制剂使用时，可将其制备成具有缓释作用的胶囊制剂，既可以避免其受到外部环境的影响而降解，又能保持其良好的熏蒸效果和延长药效期.

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Stability of Allyl Isothiocyanate in an Aqueous Solution

LIU Yan－feng1，YU Shao－fan2，LI Jia－cheng1，FENG Yu－hong1，LI Fu－kun1

(1.Materials and Chemical Engineering College，Hainan University，Haikou 570228，China;2.Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences，Beijing 100097，China)

In order to investigate the stability of allyl isothiocyanate in water，four important factors，temperature，time，pH and ultrasonic frequency，were selected to design orthogonal experiments.The isothiocyanate was dissolved in an aqueous solution containing a small amount of methanol.The effects of the different factors on its stability were characterized by the changes of allyl isothiocyanate concentration determined by HPLC.The results showed that the affects of the time on allyl isothiocyanate degradation were most significant，followed by ultrasonic frequency，temperature and pH.After petroleum ether was used to extract the degradation mixture，The LCMS and GC－MS analysis data suggested that allyl thiocyanate and cyclopropyl isothiocyanate were main products of allyl isothiocyanate degradation，and with the degradation of allyl isothiocyanate，their quantity increased.

allyl isothiocyanate;isothiocyanate;stability;hydrolysis

O 623.765 < class="emphasis_bold">文献标志码:A

A

1004－1729(2011)01－0033－06

2010－11－24

海口市重点科技计划项目(2009043);海南大学科研项目(hd09xm78);海南大学青年基金(qnjj1004);农专项目(2010E20060139);211创新平台资助

刘艳凤(1980－)，女，河北承德人，海南大学材料与化工学院应用化学2008级硕士研究生.

李嘉诚(1970－)，男，博士，教授，硕士生导师，主要从事农药剂型研究，ljcfyh@gmail.com.