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型和出峰順序。在此基礎上，采用室內模擬方法對氟氯氰菊酯對映體的光解和異構化行為進行研究。結果表明，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體轉化，該異構化主要發生在氟氯氰菊酯三元環的1、3位手性碳上，而α-手性碳不發生變化。

關鍵詞：氟氯氰菊酯；光解；異構化；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，在光照作用下則發生光解反應，光解是農藥在環境中消解的主要方式之一。氟氯氰菊酯結構較復雜，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化行為進行了研究。有關氟氯氰菊酯在環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（上海科導超聲儀器有限公司）；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，通過循環水控制光解溫度。

氟氯氰菊酯，純度98.3%，上海市農藥研究所；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個順反異構體，每個順反異構體又含有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體，再在手性柱上對各順反異構體分別進行拆分。

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個順反異構體，其后在手性柱上分離順反異構體制備單一對映體。制備過程中，在異構體或對映體出峰時，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，待正己烷完全揮發后，放置在玻璃套杯中，置于160 W汞燈光解儀中，通循環水控制套杯溫度為（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個峰的構型，對氟氯氰菊酯進行了甲醇異構化試驗。劉維屏等證實含 α-手性碳的菊酯在甲醇中會發生的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，結果發現產生了第1個色譜峰，由順反異構體的結構可知cis-Ⅱ經α-碳消旋化會產生 cis-Ⅰ，因此第1個峰為cis-Ⅰ異構體。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個對映異構體。Lee等已經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型。例如，cis-Ⅰ的2個對映體根據出峰順序標記為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cis-Ⅰ2個對映體的結構可以推知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型也可根據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），結果顯示，異構化產物的含量均較低，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，結果發現，4種異構體在手性柱上均只出現1個峰，對照圖3的出峰時間得到4種對映體的絕對構型為cis-Ⅰ：1R-cis-αR、cis-Ⅱ：1S-cis-αR、trans-Ⅲ：1R-trans-αR、trans-Ⅳ：1S-trans-αR。根據氟氯氰菊酯的化學結構可發現，1S-cis-αR對映體轉化為另3種對映體，在轉化過程中，只有1、3位手性碳發生翻轉，α-手性碳沒有發生變化。為了驗證這一現象，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，結果表明，3種對映體在光解過程中也發生了異構化，且只有1、3位手性碳發生翻轉，α-手性碳保持原有構型。

表11S-cis-αR對映體光解過程中各對映體的定量結果

對映體1不同培養時間下對各映體的定數（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結論

Liu等曾研究了含有α-手性碳的菊酯類農藥在極性溶劑（如醇和水）中會發生α-手性碳的消旋化[6-7]。而本研究結果表明，菊酯類農藥在光解過程中α-手性碳結構保持不變，三元環上的1，3-手性碳會發生翻轉。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生了 1，3-手性碳的翻轉[9-10]，與本研究結果類似。具體的翻轉原因可能是三元環性質比較活潑，極易發生開環反應[11]，在光照作用下，氟氯氰菊酯中的三元環可能發生了開環和成環反應，從而產生異構化，而α-手性碳結構相對穩定，不易發生變化。相關研究成果對詳細考察氟氯氰菊酯的環境歸趨，評估其環境風險性有重要意義。

參考文獻：

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