氟氯氰菊酯的手性拆分及光解特征

2014-07-18张文树赵家贺李朝阳李巧玲刘魁罗湘南崔建升

江苏农业科学 2014年1期

张文树　赵家贺　李朝阳　李巧玲　刘魁　罗湘南　崔建升

摘要：氟氯氰菊酯是一种重要的拟除虫菊酯类杀虫剂，含有3个手性中心、8个对映体。本试验首先采用液相色谱法对其手性分离进行了研究，然后将各对映体水解为相应的二氯菊酸，通过对已知绝对构型的二氯菊酸进行手性分析，确定氟氯氰菊酯对映体的绝对构型和出峰顺序。在此基础上，采用室内模拟方法对氟氯氰菊酯对映体的光解和异构化行为进行研究。结果表明，氟氯氰菊酯的光解速度较快，半衰期约为11 d，同时伴随着少量异构体转化，该异构化主要发生在氟氯氰菊酯三元环的1、3位手性碳上，而α-手性碳不发生变化。

关键词：氟氯氰菊酯；光解；异构化；对映体；半衰期

中图分类号： S482.3+5文献标志码： A文章编号：1002-1302（2014）01-0271-03

收稿日期：20133-05-06

基金项目：国家自然科学基金（编号：20707005）；教育部留学回国人员科研启动基金（编号：教外司留[2009]1001号）。

作者简介：张文树（1984—），男，河北承德人，硕士，主要从事分析化学的研究。E-mail：414152641@qq.com。

通信作者：李朝阳，教授，研究方向为环境分析化学。E-mail：lizy666@aliyun.com。氟氯氰菊酯（cyfluthrin，CF）是重要的拟除虫菊酯杀虫剂，由于其活性高、毒性低，既可杀虫也可杀螨，近年来使用非常广泛。菊酯类农药在使用时，往往会喷撒在作物的叶茎表面，在光照作用下则发生光解反应，光解是农药在环境中消解的主要方式之一。氟氯氰菊酯结构较复杂，有3个手性中心，存在8个对映体（图1），各对映体之间的活性有明显的差异[1]。本研究首先采用液相色谱法对氟氯氰菊酯的对映体进行拆分，确定各对映体的流出顺序，在此基础上对其对映体的光解和异构化行为进行了研究。有关氟氯氰菊酯在环境中的消解已报道过[2-3]，但基本都是将其看作一个化合物，在对映体水平上研究其光解行为还未见相关报道。

1 材料与方法

1.1仪器和试剂

安捷伦1200型高效液相色谱仪，G1314B紫外检测器，G1310A单元泵，G1322A真空脱气机，Agilent Chem Station色谱工作站；160 W汞灯（南京东华电子集团有限公司）；KUDOS-SK5200LHC 超声波清洗器（上海科导超声仪器有限公司）；THD-0506恒温槽（宁波天恒仪器厂）；自制光解仪箱长55 cm，箱宽45 cm，箱顶悬挂一汞灯，底部放一玻璃套杯，玻璃片距光源8 cm，通过循环水控制光解温度。

氟氯氰菊酯，纯度98.3%，上海市农药研究所；二氯菊酸，纯度92.5%，南开大学元素所；分析纯正己烷、天津永大化学试剂有限公司；分析纯异丙醇，天津市凯通化学试剂有限公司，用前重蒸，经0.45 μm滤膜过滤，超声排气。

1.2色谱柱和色谱条件

手性色谱柱（250 mm × 4.6 mm×5 μm）为日本Daicel公司的Chiralcel OD-H[纤维素-三（3，5-二甲基苯基氨基甲酸酯）]，分离氟氯氰菊酯的流动相为正己烷-异丙醇（体积比100 ∶1），分离二氯菊酸的流动相为正己烷-异丙醇-三氟乙酸（体积比100 ∶0.5 ∶0.1）。非手性柱为大连依利特“佳杰”硅胶柱（250 mm × 4.6 mm×5 μm），流动相为正己烷 -异丙醇（体积比100 ∶0.08）。所有色谱检测均在 25 ℃、230 nm波长下进行，流速1.0 mL/min，进样量20 μL。

1.3手性拆分方法

氟氯氰菊酯含有3个手性中心，因此有4个顺反异构体，每个顺反异构体又含有2个对映体，具体为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个对映体在手性柱上不能同时分离，因此本研究采用分步拆分法，即先在非手性硅胶柱上分离顺反异构体，再在手性柱上对各顺反异构体分别进行拆分。

1.4对映体的液相色谱分离制备

取10 mg氟氯氰菊酯标准品用正己烷定容至10 mL，标准溶液浓度约为1 mg/mL，先在非手性硅胶柱上进行拆分，制备4个顺反异构体，其后在手性柱上分离顺反异构体制备单一对映体。制备过程中，在异构体或对映体出峰时，收集相应的流出液，吹干，正己烷溶解后定量。

1.5水解试验[4]

取1 mg氟氯氰菊酯对映体用甲醇溶解，转移至100 mL锥形瓶中，加入体积比为4 ∶1的甲醇-氢氧化钠（浓度为20%）混合液40 mL，磁力搅拌器上搅拌2 d。水解完成后，吹干甲醇，由于溶液为碱性条件，二氯菊酸以钠盐的形式存在，加入20 mL二氯甲烷萃取3次，弃去。向上层水相中加入浓盐酸，将溶液pH值调至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无水硫酸钠吸附含有的少量水，高纯氮气吹干，正己烷溶解后待测。

1.6光解试验

移液管准确移取含单一氟氯氰菊酯对映体的正己烷溶液，等量均匀滴于7个直径为2.5 cm的圆形玻璃片上，待正己烷完全挥发后，放置在玻璃套杯中，置于160 W汞灯光解仪中，通循环水控制套杯温度为（28±0.1） ℃，进行光照，分别于0、2、4、6、9、12、15 d后取回玻璃片，用正己烷淋洗，吹干，定容，测定。

2结果与分析

2.1手性拆分及对映体流出顺序

氟氯氰菊酯含有4个顺反异构体可在硅胶柱上基线分离（图2）。笔者所在课题组的研究[5]已证实，在硅胶柱上第2、第4个峰为cis-Ⅱ和trans-Ⅳ，为了确定第1、第3个峰的构型，对氟氯氰菊酯进行了甲醇异构化试验。刘维屏等证实含 α-手性碳的菊酯在甲醇中会发生的α-碳的消旋化[6-7]，因此本研究首先将cis-Ⅱ溶解于甲醇，24 h后吹干甲醇，正己烷溶解后在硅胶柱上测定，结果发现产生了第1个色谱峰，由顺反异构体的结构可知cis-Ⅱ经α-碳消旋化会产生 cis-Ⅰ，因此第1个峰为cis-Ⅰ异构体。对trans-Ⅳ进行类似的消旋化试验，证实第3个峰为trans-Ⅲ。endprint

在硅胶柱上制备氟氯氰菊酯的4个顺反异构体，然后在Chiralcel OD-H手性柱上分别进行手性分离，其色谱图见图3。在正己烷-异丙醇（体积比100 ∶1）流动相下，每个顺反异构体所含的2个对映体均得到基线分离，分离度>1.5。

为了确定各对映体的绝对构型，本研究将8个对映体分别水解为相应的二氯菊酸对映体。二氯菊酸对应于氟氯氰菊酯的酸性部分，含有2个手性中心，因此有4个对映异构体。Lee等已经对二氯菊酸的手性分离进行了详细研究，在Chiralcel-OD手性柱上其4个对映体可得到基线分离，并利

用对映体标样确定了其流出顺序为1S-cis、1R-cis、1S-trans、1R-trans[8]。本研究对二氯菊酸的手性分离采用与Lee等相同的分离柱和色谱条件，因此对映体的流出顺序应与其相同，通过氟氯氰菊酯对映体水解得到的二氯菊酸进行手性分析，即可推知氟氯氰菊酯对映体的流出顺序和绝对构型。例如，cis-Ⅰ的2个对映体根据出峰顺序标记为CF-1、CF-2（图3），水解后得到的二氯菊酸对映体标记为PA-1、PA-2。图4给出了二氯菊酸标样、PA-1和PA-2在Chiralcel-OD-H柱上的分离谱图，很明显PA-1和PA-2分别为1S-cis和1R-cis，根据cis-Ⅰ2个对映体的结构可以推知CF-1和CF-2应为1S-cis-αS和1R-cis-αR。同理，cis-Ⅱ、trans-Ⅲ和trans-Ⅳ所含对映体的绝对构型也可根据相应的二氯菊酸手性分析推得，具体见图3。

2.2对映体的光解及异构化

取氟氯氰菊酯单一的1S-cis-αR对映体（属cis-Ⅱ的一个对映体）进行光解试验，结果表明，氟氯氰菊酯在光解过程中不但存在着自身的降解还存在着异构化，图5给出了试验后0、15 d的硅胶柱分离的色谱图，用外标法测定不同时间各对映体的含量（表1），结果显示，异构化产物的含量均较低，未超过总量的10%。将对映体总量按一级动力学进行模拟，计算的半衰期为11.8 d，相关系数为0.971。

进一步用硅胶柱将试验后15 d时相应的cis-Ⅰ、cis-Ⅱ、trans-Ⅲ、trans-Ⅳ 制备下来，并用手性色谱柱确定其所含对映体，结果发现，4种异构体在手性柱上均只出现1个峰，对照图3的出峰时间得到4种对映体的绝对构型为cis-Ⅰ：1R-cis-αR、cis-Ⅱ：1S-cis-αR、trans-Ⅲ：1R-trans-αR、trans-Ⅳ：1S-trans-αR。根据氟氯氰菊酯的化学结构可发现，1S-cis-αR对映体转化为另3种对映体，在转化过程中，只有1、3位手性碳发生翻转，α-手性碳没有发生变化。为了验证这一现象，本研究还对另外3种对映体 1S-trans-αR、1R-cis-αS、1R-trans-αS进行了光解试验，结果表明，3种对映体在光解过程中也发生了异构化，且只有1、3位手性碳发生翻转，α-手性碳保持原有构型。

表11S-cis-αR对映体光解过程中各对映体的定量结果

对映体1不同培养时间下对各映体的定数（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结论

Liu等曾研究了含有α-手性碳的菊酯类农药在极性溶剂（如醇和水）中会发生α-手性碳的消旋化[6-7]。而本研究结果表明，菊酯类农药在光解过程中α-手性碳结构保持不变，三元环上的1，3-手性碳会发生翻转。Ruzo等曾研究了氯菊酯和溴氰菊酯的光解，也证实其在光解中发生了 1，3-手性碳的翻转[9-10]，与本研究结果类似。具体的翻转原因可能是三元环性质比较活泼，极易发生开环反应[11]，在光照作用下，氟氯氰菊酯中的三元环可能发生了开环和成环反应，从而产生异构化，而α-手性碳结构相对稳定，不易发生变化。相关研究成果对详细考察氟氯氰菊酯的环境归趋，评估其环境风险性有重要意义。

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