2,4-二氯苯氧乙酸代謝中的水解反應機理

李 佳 徐雯麗 胡 靜 凌 敏 姚建華

(中國科學院上海有機化學研究所,上海200032)

1 引言

圖1 2,4-二氯苯氧乙酸(2,4-D)結構Fig.1 Structure of 2,4-dichlorophenoxy acetic acid(2,4-D)

2,4-二氯苯氧乙酸(2,4-D,CAS:94-75-7)(化學結構如圖1所示),是世界上第一個工業化的選擇性激素類高效有機除草劑.目前已大量應用于農田、牧場和湖岸等場所,主要作用作物有小麥、大麥、水稻及玉米等,是應用最為廣泛的除草劑之一.1,2低濃度的2,4-D對植物生長具有刺激作用,促進作物早熟增產,而高濃度的則對植物具有滅殺作用,對于雙葉子雜草具有良好的防治效果.3但是,它對環境和人類健康有一定的不良影響.已有的實驗結果顯示,它會導致人體內分泌失調,4它的急性毒性(大鼠經口)半數致死量(LD50)是370 mg·kg?1,5為中等毒性.由于2,4-D的生物降解非常緩慢,它已經被認定為地表和地下水中主要污染物,6并被作為監測對象.同時,它在降解過程中所產生的化合物對環境的影響也值得重視.

已有很多與2,4-D代謝相關的實驗研究報道,主要包括它的光照降解、7?12微生物降解及在植物內降解13?18和水解19?21等.根據已有的文獻22報道整理得到2,4-D的代謝信息如圖2所示.

已有的報道主要關注了兩個方面:(1)環境中各種因素對2,4-D代謝速度的影響,(2)2,4-D在各種環境中的代謝過程.Luna等7研究在光照體系中,各種氧化劑濃度及體系pH值對2,4-D光氧化降解速度的影響;Rivera-Utrilla等11研究2,4-D在TiO2催化劑體系中的光催化降解行為;Laurent等13研究了2,4-D在雙加氧酶催化作用下轉化為2,4-二氯苯酚;Tiedje等16考察其在生物酶溶液中的代謝,表明其最終產物為丁二酸;Hagin等17則研究了2,4-D在具有抗藥性植物中的轉化,由于轉化為3-2,4-二氯苯氧乙酸-丙酸,而失去了活性;Hamilton等18對其在豆科類植物中轉化的研究表明,它主要轉化為2,3-二氯-4-羥基苯氧乙酸.在這些研究工作中,只有Grosby等19在1966年提出了2,4-D的稀溶液在光照下水解反應機理,水解反應式如圖3所示.即主反應為圖3中所示的途徑(2)和(3),途徑(1)僅發生少量反應.由于水解反應副產物有HCl和羥基乙酸,反應之后溶液pH值將減小.

圖2 2,4-D代謝信息(粗線部分參見圖3)Fig.2 Metabolism information of 2,4-D(bold also shown in Fig.3)

圖3 2,4-D水解反應Fig.3 Hydrolysis reactions of 2,4-D

本文將介紹采用量子化學理論,研究2,4-D的代謝過程中的水解反應.采用B3LYP/6-311G(d,p)方法對已發表的實驗研究結果(如圖3所示),開展理論研究,以闡述2,4-D代謝過程中的水解反應機理.本文嘗試對2,4-D代謝過程中水解反應涉及到的三個基本問題作出適當回答:(I)2,4-D代謝過程中各步水解反應的內在機理是什么?(II)2,4-D代謝過程中哪條反應途徑具有動力學優勢,并對反應體系中各中間體濃度如何影響?(III)在理論計算中,采用導體極化連續模型(CPCM)23模擬水溶液環境對反應過程中幾何結構和勢能面如何影響.

2 研究方法

采用Gaussian 09程序,24在密度泛函理論(DFT)B3LYP25,26/6-311G(d,p)27計算水平上,優化氣相反應的所有可能的反應復合物、中間體、過渡態和產物幾何結構.在相同計算水平上,對優化構型進行了振動頻率分析,以確定極小點(所有的振動頻率都是正值)或過渡態(有且只有1個虛頻).采用反應內稟坐標(IRC)解析28尋找和驗證關聯該過渡態的反應物和產物;采用頻率計算獲得各個結構的相關熱力學數據,如零點振動能(ZPVE),并且得出各反應過渡態的振動方式.另外,所有的優化構型都進行了自然鍵軌道(NBO)理論分析.29由于該反應環境為水溶液中,本文還采用CPCM,模擬水溶液環境對照氣態分子反應結果,以闡述溶劑化效應對該反應的影響.

3 結果與討論

3.1 水解反應中的電荷和鍵長

從原理上講,連接在2,4-D苯環C(1)、C(2)和C(4)上的基團,均有發生水解反應可能.因此,有三種可能水解途徑(如圖3所示).2,4-D水解反應中三條途徑的反應物、各中間體和過渡態及產物結構如圖4和圖5所示.圖6為反應物及各途徑中第一個過渡態自然布居分析所得原子電荷示意圖.

在水解反應中,由親核試劑水分子進攻C(1)、C(2)和C(4)原子,繼而形成過渡態.圖6所示的2,4-D化合物的原子電荷分布結果顯示,除C(1)原子外,苯環上C原子均帶負電荷.對于C(1)、C(2)和C(4)原子而言,水分子中的O原子并非直接進攻C原子,而是先通過氫鍵作用形成絡合物.在逐步形成過渡態過程中,C(1)、C(2)和C(4)原子因逐步失去電子而帶正電荷.三條途徑的第一過渡態,被解離鍵的C原子均帶較多的正電荷(+0.325 C(1),+0.235 C(2),+0.259 C(4))(如圖6所示),從而有利于帶孤對電子的羥基順利發生親核反應.

圖4 2,4-D水解反應過程Fig.4 Hydrolysis reaction processes of 2,4-D

圖5 2,4-D水解過程中反應物、各中間體、過渡態和產物的優化結構Fig.5 Optimized structures of the reactant,intermediates,transition states,and product in the hydrolysis reaction of 2,4-D

圖6 2,4-D反應物及過渡態的原子電荷Fig.6 Atomic charges of 2,4-D and the transition states

圖5 顯示,途徑(1)的反應過程為:(1)水分子的H原子與C(1)原子上相連的O原子形成氫鍵絡合物COM1-1,其鍵長為201.2 pm.(2)水分子的O原子進攻C(1)原子,形成四元環的過渡態TS1-1.此時,C(1)―O鍵由138.0 pm拉長至183.3 pm,而水分子中O―H鍵也拉長至106.7 pm.水分子中的O原子與H原子也分別靠近被解離C(1)―O鍵,其距離分別為168.5和140.4 pm.(3)經過過渡態形成化合物INT1-1,這過程中反應消耗1個水分子,產生羥基乙酸分子.(4)水分子的C(2)―Cl鍵進行水解,同樣以氫鍵的形式,水分子接近C(3)原子相連的H原子形成絡合物COM2-1,其氫鍵鍵長為229.7 pm.在絡合物中,水分子中H原子與C(2)相連的Cl原子應該有一定非常弱的相互作用.在過渡態TS2-1中,存在C(2)―O―H―Cl四元環,同樣被解離的C(2)―Cl鍵拉長至236.8 pm.水分子中的O―H變化較小,稍微拉長至99.3 pm,同時即將形成新的C(2)―O、Cl―H化學鍵.產生1個HCl分子后,形成中間體INT2-1.(5)在C(4)―Cl鍵發生水解,通過氫鍵絡合物COM3-1形成過渡態TS3-1.兩次水解C―Cl鍵所形成過渡態中C―O―H―Cl四元環各鍵長差別較小,均在2 pm以內,表明該反應中不同的取代位置對C―Cl水解過程影響較小.最后在消耗3分子水,生成2分子HCl和1分子羥基乙酸后,生成最終產物1,2,4-三苯酚,整個過程中反應體系中水溶液pH值減小.

圖4和圖5顯示,途徑(2)反應過程與途徑(1)的有區別.途徑(2)反應過程為:(1)水分子對C(2)―Cl進行水解,在形成氫鍵絡合物COM1-2時,氫鍵鍵長為225.5 pm.(2)進攻C(2)原子,形成C(2)―O―H―Cl四元環的過渡態TS1-2.C(2)―Cl鍵由175.7 pm拉長至230.8 pm,水分子中O―H變化較小,只拉長至99.5 pm,同時即將形成新的C(2)―O、Cl―H化學鍵.(3)經過羥基對Cl原子的取代后形成INT1-2,并在反應途徑上解離C(1)―O鍵形成過渡態TS2A-2,或解離C(4)―Cl鍵形成過渡態TS2B-2.(4)進攻C(1)原子則形成C(1)―O―H―O四元環過渡態TS2A-2,此時C(1)―O鍵長由138.5 pm拉長至185.8 pm,而水分子中O―H鍵也拉長至105.8 pm.在實現氫轉移后,則失去1分子羥基乙酸得到INT2-1,后續反應與途徑(1)重合.(5)水分子進攻C(4)原子則同樣經過氫鍵絡合物COM2B-2,形成TS2B-2過渡態.C(4)―Cl鍵由176.7 pm拉長至234.2 pm,水分子靠近C(4)―Cl形成新的C―O、H―Cl鍵,失去1分子HCl后生成INT2-3,后續反應與途徑(3)重合.

途徑(3)的反應過程與途徑(2)的較為相似,即對C(4)―Cl進行水解,在通過氫鍵絡合物COM1-3、過渡態TS1-3后得到INT1-3.再依次對C(2)―Cl和C(1)―O進行水解,最后生成最終產物1,2,4-三苯酚.

以上均為在氣態情況研究反應的進程,而實際反應體系在水溶液中.因此,為了考慮溶劑化效應的影響,我們采用CPCM模擬水溶液環境,再優化反應物、各中間體、過渡態和產物.文獻30,31報道溶劑化效應對化合物結構影響不大.但是,圖5中的信息顯示,常規的化學鍵鍵長受其影響較小,約為0.5 pm.但對于過渡態中反應中心的鍵長則影響較大,可達30 pm左右.因此,對于反應體系的幾何結構優化,考慮溶劑化效應非常必要,尤其對于反應過程中的過渡態結構優化.

3.2 反應勢能面

表1列出了反應物、各中間體和過渡態、產物總能量以及包含零點能校正(ZPVE)的相對能量,各過渡態的唯一虛頻.圖7為其反應勢能面圖,將各點零點能校正后相對能量直觀的表現于反應進程中.

表1中數據和圖7中的能壘變化圖顯示,在形成氫鍵絡合物過程中,由于氫鍵的弱作用,絡合物能量降低較少,大多在10 kJ·mol?1左右.圖7顯示,三種途徑中C(1)―O鍵解離活化能分別為276.3、284.7和296.2 kJ·mol?1,其振動頻率分別為 764.4i、734.2i和727.6i cm?1,而振動模式則表現為H原子在兩個O原子之間的擺動,即氫轉移過程.而C(2)―Cl的解離活化能則分別為 218.1、228.4 和 233.1 kJ·mol?1,C(4)―Cl鍵解離活化能分別為239.0、234.4和230.7 kJ·mol?1.C―Cl鍵的解離振動頻率在475i cm?1左右,振動模式表現為Cl原子在C原子和H原子間擺動,即Cl原子被取代離去過程.可見,C(1)―O鍵的解離活化能明顯高于C―Cl鍵的,相同化學鍵在不同途徑中的活化能差別表明,化學環境對反應活化能有一定影響.反應中兩種化學鍵的解離均需較高的活化能,也表明2,4-D在水溶液中水解過程將比較緩慢,光照在一定程度上將活化化學鍵,加快其水解速度.

表1 反應物、各中間體和過渡態、產物的總能量(E)以及經零點能(ZPVE)校正的相對能量(ΔE)aTable 1 Energies(E)and relative energies(ΔE)corrected by zero-point vibrational energy(ZPVE)of a reactant,intermediates,transition states,and a producta

圖7 2,4-D化合物水解反應勢能面示意圖Fig.7 Potential energy profiles of hydrolysis of 2,4-D

與C―Cl鍵相比,C(1)―O鍵鍵長僅為137.6 pm,比C―Cl鍵約短40 pm,同時其C和O原子電荷分別為+0.275和?0.553,導致其靜電引力明顯強于C―Cl鍵.另外對于親核親電反應,多數情況下為兩者的最高占據分子軌道(HOMO)與最低非占據分子軌道(LUMO)相互作用.在本體系中,親核試劑水分子的HOMO與2,4-D的LUMO作用.圖8中顯示了2,4-D的LUMO,其為C(2)―Cl鍵的反鍵軌道,表明當親核試劑水分子的孤對電子與該軌道作用,C(2)―Cl將拉長解離,即親核試劑水分子應是優先解離C(2)―Cl鍵,從活化能上也顯示其能壘最小.

反應活化能與速率常數成指數關系,C(1)―O鍵解離活化能相對C―Cl鍵大約高60 kJ·mol?1左右,反應速率常數則將遠小于C―Cl鍵的水解.因此,水解反應的各條途徑將存在明顯的動力學差異,反應更傾向于C―Cl鍵的水解.途徑(2)和(3)為主要反應途徑,C(1)―O鍵的解離速度將明顯較慢.在反應體系中表現為途徑(2)和(3)的反應中間體濃度較高,如途徑(3)的INT2-3,即2,4-二羥基苯氧乙酸中間體在體系中濃度將明顯偏高,這將有助于使農藥對環境影響的研究從初始農藥化合物擴展到可能存在的中間體.

考慮溶劑化效應的影響,采用CPCM研究本反應體系.結果表明采用CPCM后,三條途徑中C(1)―O鍵解離活化能分別為278.1、287.1和297.6 kJ·mol?1,均略高于氣態分子的計算結果.而C(2)―Cl的解離活化能則分別為 214.1、212.6 和 214.2 kJ·mol?1,C(4)―Cl鍵解離活化能分別為215.5、214.8和215.5 kJ·mol?1,兩者則均略低于氣態分子的計算結果.考慮溶劑化效應后,雖然不會對結果產生定性的變化,但對于C(1)―O鍵解離活化能偏高,而C―Cl鍵解離活化能偏低,使得反應選擇性差異進一步增大.這也表明對于研究反應體系勢能面,考慮溶劑化效應非常必要,其對不同的反應能壘影響不同,可能使反應選擇性更明確.

圖8 (a)2,4-D的LUMO及(b)H2O的HOMO示意圖Fig.8 Schematic diagrams of(a)LUMO of 2,4-D and(b)HOMO of H2O

4 結 論

采用密度泛函理論B3LYP/6-311G(d,p)方法,研究了2,4-D代謝中的水解反應,同時采用CPCM模擬水溶液體系,通過與氣態分子體系結果比較,闡述了溶劑化效應對水解反應的影響.研究結果表明:密度泛函理論能夠在分子水平上明確闡述2,4-D代謝中的水解反應機理,并可說明其反應選擇性,以及在代謝過程中,各種產物在產生濃度差別的原因,從而更全面地闡述了2,4-D水解機理.

2,4-D水解反應存在三條可能水解途徑,包括氫轉移的C(1)―O鍵解離和氯被取代的C―Cl鍵解離兩種反應機理.勢能面的分析結果顯示,C(1)―O鍵解離比C―Cl鍵解離所需活化能約高60 kJ·mol?1,2,4-D的水解反應更傾向于先水解C―Cl鍵,途徑(2)和(3)為主要反應途徑,同時根據各反應步驟的不同反應速率可以判斷2,4-D水解體系中途徑(3)中INT2-3,即2,4-二羥基苯氧乙酸中間體將在反應體系中表現出濃度較高.

此外,在水解反應體系中,考慮溶劑化效應非常必要.因為溶劑化效應對過渡態反應中心的幾何結構影響非常大,而且對于反應勢能面中各極點能量同樣有一定影響.具體表現在對不同反應步驟活化能影響不同,可使反應選擇性更確定.

致謝: 本工作使用了中國科學院上海高等研究院高性能計算與數據中心的計算資源.

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