农业农村部环保所贺泽英、刘文婧团队JHM：揭示羟基自由基降解恩诺沙星的反应途径——密度泛函理论和实验...

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随后研究了吡啶酮部分的降解反应。根据前面的分析，我们主要研究脱羧过程。如图4所示，羧酸基中的氢原子可以易被·OH以极低的势垒（TS7）夺取，产生羧基自由基IM4。在能垒为22.9 kcal/mol（TS8）的脱碳步骤之后，羧基自由基IM4转化为碳自由基IM5，释放1个二氧化碳分子。生成的自由基IM5可以直接被·OH拦截，得到α-羟基酮产物P4。此外，IM5还可以通过HAT与水反应，提供α, β-不饱和酮产物P5。这些降解过程的动力学势垒较低，使得这些反应在自然条件下能够进行，P4和P5可稳定生成。HAT和脱羧关键过渡态的优化几何结构如图4所示。

与此同时，我们考虑了在吡啶酮部分不饱和碳=碳键上添加·OH，需5.7 kcal/mol（TS10）的能垒，并形成碳自由基IM6。IM6和·OH间的自由基偶联反应生成加成产物P6。另一方面，IM6通过·OH进行HAT，产生羟基取代的产物P7。两种反应路径均具有较低的动力学势垒和较大的热力学驱动力。计算结果表明，P6和P7是易形成的降解产物。加成反应和HAT的关键过渡态的优化几何结构如图4所示。

图5. 密度泛函理论计算的·OH通过氢原子抽取和脱羧降解ENR的机制以及关键过渡态的优化结构的自由能剖面（单位：kcal/mol）。选定的化学键键长以Å表示。

由于产物P6易形成，我们继续研究了ENR的后续降解反应。降解途径和产物如图5所示。在强氧化剂·OH的作用下，P6羟基中的两个H原子易通过IM7和TS12提取出来，形成2, 3-二氧代丙酸P8。生成的P8经历·OH的亲核攻击（TS13，ΔG‡=–17.4 kcal/mol），随后通过碳酸的离解完成脱羧反应，生成乙醛酸产物P9。随后，P9在·OH的作用下经历了类似的脱羧过程，生成苯甲酸衍生物P10。这一系列氧化和脱羧反应的动力学和热力学都是相对有利的，这表明降解产物P8-P10可在自然环境中获得。

之后，P10经历HAT和脱碳步骤（IM10→TS15→IM11→TS16），生成脱羧甲酰胺产物P11（图5B），类似于图4A揭示的过程。甲酰胺P11通过HAT和自由基偶联（P11→TS17→IM12→P12）被·OH氧化成氨基甲酸P12。最后，氨基甲酸P12与·OH（TS18，ΔG‡ =–11.1 kcal/mol）反应进行脱羧步骤，生成产物P13，使得ENR吡啶酮部分完全降解。此外，P10可通过醛基官能团的平行氧化和脱羧反应转化为降解产物P14。因此，ENR中的吡啶酮部分可在·OH的作用下深度降解，且连续降解产物P4-P14理论上是可行的。

图6. 密度泛函理论计算的·OH通过哌嗪部分上氢原子抽取降解ENR的机制以及关键驻点的优化结构的自由能剖面（单位：kcal/mol）。选定的化学键键长以Å表示。

此外，我们探究了ENR哌嗪部分的降解途径。如前所述，哌嗪环中的富电子Csp3-H键在暴露于·OH时倾向于发生HAT。通常，带有芳香取代基的胺的α-Csp3-H键对·OH表现出更高的反应活性。因此，相关的HAT过渡态仅需3.3 kcal/mol（TS19）就可激活Csp3-H键，形成碳自由基IM14。IM14可经历另一个HAT（TS20，ΔG‡= 1.8 kcal/mol），生成含一个不饱和烯烃部分的四氢吡嗪衍生物P15。IM14也可以被·OH捕获，得到α-羟基取代的中间体IM15，其通过HAT（TS21，ΔG‡= 1.1 kcal/mol）和碳自由基与·OH间的自由基偶联，生成邻二醇IM17。具有良好反应性的醇羟基易被·OH通过两步HAT氧化，导致吡嗪环断裂，生成二醛化合物P16。

α-羟基取代复合物IM15的α-Csp3-H键比ENR中相应的α-Csp3-H键具有更高的反应活性。因此，IM15进行两个HAT步骤（IM15→TS22→IM19），生成哌嗪-2-酮衍生物P17（图6B）。类似地，P18中的其他α-Csp3-H键可在氧化降解过程中通过·OH进行连续的HAT反应。最终，这些降解步骤生成了3,4-二氢吡嗪-2(1H)-酮型产物P18（P17→TS23→IM20→TS24→P18）和哌嗪-2,5-二酮衍生产物P19（IM21→IM21→TS25→IM22→P19）。根据计算结果，图6中连续的HAT途径表现出较低的动力学势垒和有利的热力学驱动力，表明P15-P19都是可能的降解产物。

图7. 密度泛函理论计算的·OH通过氢原子抽取、脱羧和水解作用降解ENR的机制以及TS26优化结构的自由能剖面（单位：kcal/mol）。选定的化学键键长以Å表示。

对于不完全降解产物P16，我们继续探究其关键官能团的降解反应（图7）。一般情况下，醛基易被·OH通过HAT和自由基偶联氧化成羧基。基于这种考虑，P16易通过TS26转化为P20。然后，P20通过TS27（ΔG‡= 19.3 kcal/mol）进行脱羧，生成中间体IM24，可分解成氨基产物P21、·HCO3/H2CO3、氨基自由基复合物IM25（类似于P22的生成过程）。氨基自由基的α-Csp3-H键在较小能垒（TS27，ΔG‡= 7.8 kcal/mol）下被提取，生成亚胺IM26。最后，亚胺IM26水解生成深度降解的苯胺衍生物P23和N-(2-氧乙基)甲酰胺。化合物P23的哌嗪环已完全降解。通常，相关的降解途径易在哌嗪部分进行，且它们的降解产物P15-P23是可行的。HAT在α-Csp3-H键处较低的动力学势垒（TS19: ΔG‡= 3.3 kcal/mol）源于哌嗪氮的富电子性质，其稳定了过渡态。后续步骤（如自由基偶联，TS21: ΔG‡= 1.1 kcal/mol）由形成稳定的羟基化产物（如IM17）的放热效应驱动。相对而言，开环途径（如P16形成）更受青睐，这归因于环张力的释放以及醛中间体的高亲电性，后者极易发生进一步氧化。

关键中间产物的检测结果表明，计算结果与我们在UV/H2O2体系中ENR降解反应的实验数据基本一致。通常，ENR的主要降解途径可归因于芳基部分的降解、吡啶酮环的裂解和哌嗪的氧化。

图8. ENR和降解中间产物的（a）大型蚤LC50、（b）黑头呆鱼LC50、（c）生物富集系数和（d）致突变性。

为了解ENR及其降解产物的生态风险，对ENR及其多种降解中间体进行了毒性评估。图8a指出，ENR大型蚤的LC50值为2.31 mg/L；因此，ENR被归类为“有毒”。降解中间体（P4、P5和P23）及其氟部分降解产物（P5-1、P5-3、P23-1、P23-2和P23-3）比ENR的毒性更强，P23大型蚤的LC50达到了“剧毒”水平。然而，随着苯环和吡啶环的断裂，与ENR相比，大多数中间体的毒性降低。吡啶酮降解产物（P8和P9）及其脱氟产物（P8-3和P9-3）的大型蚤LC50可以达到“无害”水平。如图8b所示，半数黑头呆鱼死亡（96小时）的浓度表明，与ENR相比，大多数中间体的毒性降低，这与ENR及其降解产物通过大型蚤LC50的毒性评价结果一致。如图8c所示，大多数降解产物的生物富集系数低于ENR。只有十羧酸中间体（P4、P5、P11和P13）及其氟代降解产物（PX-1、PX-2和PX-3）表现出比ENR更高的生物富集系数。如图8d所示，随着ENR降解程度的增加，大多数中间体的致突变性水平相较于ENR本身显著降低。甚至哌嗪降解中间体（P21和P23）及其氟代降解产物（P21、P23-2和P23-3）的致突变性水平也处于负值范围（< 0.5）。这些结果表明，·OH介导的高级氧化过程可以降低ENR的生态风险。

小结

从理论上研究了·OH引发ENR的降解途径，并通过实验进行了验证。计算结果表明，ENR的芳香骨架经过羟基取代和C-F键活化进行有效降解，其中内部C-F键的断裂是关键步骤。ENR的吡啶酮部分进行HAT、自由基偶联/加成和脱羧步骤以达到深度降解，在此过程中，多个脱羧反应是限速步骤。类似地，ENR的哌嗪部分主要经历多步HAT、自由基偶联和水解实现完全降解，这些过程需要大量的·OH。总的来说，在·OH存在下，整个降解过程涉及可及的动力学势垒和有利的热力学驱动力，促进ENR发生深度降解。对照实验检测到大多数理论预测的降解产物，这验证了DFT计算结果的合理性。此外，对ENR及其降解产物的毒性评估表明，大多数产物的毒性大大降低。

作者介绍

第一作者、通讯作者：刘文婧， 农业农村部环境保护科研监测所环境危害因子风险评估创新团队，副研究员。主要从事环境新污染物拉曼检测及降解转化分析方面的研究。主持国家自然科学基金青年基金、天津市自然科学基金面上基金、中国农业科学院青年创新专项等多项科研项目。以第一/通讯作者身份在Chemical Engineering Journal、Journal of Hazardous Materials、Environmental Science – Nano、ACS Catalysis.等杂志发表SCI论文20余篇。

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