異唑草酮水解及在水中的光解

湯濤　張昌朋　吳珉　許振嵐　趙華　 趙學(xué)平

摘要：實驗室條件下，采用高效液相色譜研究了異唑草酮水解和在水中的光解動態(tài)特性，結(jié)果表明，異唑草酮在堿性緩沖液中水解最快，在酸性緩沖液中水解最慢，其水解速率隨著溫度的升高而加快，溫度效應(yīng)系數(shù)和活化能均是在堿性緩沖液中最低。在pH值分別為4、7、9的緩沖液中，25 ℃時異唑草酮的水解半衰期分別為15070、8250、3.90 h，50 ℃時的水解半衰期分別為19.40、4.10、0.75 h，根據(jù)我國農(nóng)藥登記試驗水解等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，異唑草酮屬于易水解農(nóng)藥。在25 ℃，光照度為3 350 lx以及紫外強度為58.8 μW/cm2條件下，異唑草酮在水中的光解半衰期為6.4 h，根據(jù)我國農(nóng)藥登記試驗的光解特性等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，異唑草酮屬于中等光解類農(nóng)藥。

關(guān)鍵詞：異唑草酮;水解;光解;高效液相色譜

中圖分類號： TQ457.2? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A? 文章編號：1002-1302（2019）03-0249-04

異唑草酮（isoxaflutole），化學(xué)名稱為5-環(huán)丙基-1，2- 唑-4-基酮，是羅納-普朗克公司1992年發(fā)現(xiàn)、現(xiàn)由拜耳作物科學(xué)公司生產(chǎn)和銷售的異唑類除草劑[1]，其結(jié)構(gòu)式見圖1。異唑草酮為對羥基苯基丙酮酸雙氧化酶抑制劑，其在植株和土壤中可快速代謝并打開異唑環(huán)形成二酮腈，從而發(fā)揮除草作用，被廣泛應(yīng)用于去除玉米、甜菜、甘蔗等旱作物田中的雜草，土壤處理也可以有效防除一年生禾本科雜草如稗草、狗尾草和其他闊葉雜草等[2]。異唑草酮對鳥類、蜜蜂和魚類等表現(xiàn)出較低和中等毒性，但對水中甲殼類生物則表現(xiàn)出較高的毒性[3]。目前，對異惡唑草酮的研究主要集中于防治效果、檢測方法和在土壤中的降解吸附等方面[4-6]，有關(guān)其在水中的水解和光解研究卻很少。農(nóng)藥的水解及光解性能與其在環(huán)境中的持久性密切相關(guān)，是影響農(nóng)藥在環(huán)境中歸宿的重要因素之一，也是評價農(nóng)藥在水體中滯留性的重要指標(biāo)。因此本研究采用室內(nèi)模擬方法，對異唑草酮光解和水解的影響因素進行了研究， 旨在為異唑草酮的合理使用和環(huán)境安全性評價提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 藥劑及試劑

異唑草酮（isoxaflutole）標(biāo)準(zhǔn)品（純度為98.6%，百靈威科技有限公司）、異唑草酮原藥（純度為96%，上虞穎泰精細(xì)化工有限公司）、色譜純乙腈、分析純乙腈、分析純乙酸乙酯、超純水、蒸餾水（pH值為7.2）。超純水和色譜純乙腈過0.45 μm濾膜后使用。

標(biāo)準(zhǔn)溶液配制：準(zhǔn)確稱?。?.10±0.01） mg異唑草酮標(biāo)準(zhǔn)品，用乙腈溶解并定容至10 mL，得到質(zhì)量濃度為 5.03×102 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)溶液。

工作溶液配制：準(zhǔn)確稱?。?04.2±0.01） mg異唑草酮原藥，用10.0 mL乙腈溶解，再用蒸餾水定容于100 mL容量瓶中，得到質(zhì)量濃度為1.00×103 mg/L的工作溶液。

pH值為4的緩沖溶液配制方法為量取0.1 mol/L鄰苯二甲酸氫鉀溶液500.0 mL，加入0.1 mol/L氫氧化鈉溶液 4.0 mL，用蒸餾水定容至1.0 L。

pH值為7的緩沖溶液配制方法為量取0.1 mol/L氫氧化鈉296.3 mL，加入0.1 mol/L磷酸二氫鉀500.0 mL，用蒸餾水定容至1.0 L。

pH值為9的緩沖溶液配制方法為量取0.1 mol/L氫氧化鈉213 mL，加入含0.1 mol/L硼酸和0.1 mol/L氯化鉀溶液500 mL，用蒸餾水定容至1 L。

1.2 主要儀器設(shè)備

2695/2475 PDA（光電二極管陣列檢測器）高效液相色譜儀（美國沃特世公司）;BP2110D萬分之一電子天平（德國賽多利斯公司）;XT5409氙燈光解恒溫實驗箱（浙江杭州雪中炭恒溫技術(shù)有限公司）;DHP-9052型電熱恒溫培養(yǎng)箱（上海一恒科技有限公司）;TES-1339R照度計（中國臺灣泰仕公司）;雙通道紫外輻射計（上海億歐儀表設(shè)備有限公司）;YX280A手提式不銹鋼蒸氣消毒器（上海三申醫(yī)療器械有限公司）;PB-10型pH計（德國Sartorius公司）。

1.3 試驗方法

1.3.1 水解試驗 在pH值為4、7、9的緩沖溶液中分別添加異唑草酮原藥工作溶液，使其質(zhì)量濃度為5.00 mg/L，隨后將其分裝于具塞試管中，分別置于（25±1） ℃和（50±1） ℃ 的恒溫培養(yǎng)箱中避光進行反應(yīng)，每種緩沖溶液設(shè)2個平行，于不同時間取樣處理檢測。所用緩沖溶液及玻璃器皿在使用前均經(jīng)高溫高壓滅菌，試驗溶液分裝在無菌條件下進行。

1.3.2 水中光解試驗 向蒸餾水中添加異唑草酮工作溶液，使其質(zhì)量濃度為5.00 mg/L。將其分裝于具塞石英光解管中，蓋緊塞子，置于光解恒溫實驗箱中進行光解試驗。試驗溫度為（25±2） ℃，平均光照度為3 350 lx，平均紫外強度為58.8 μW/cm2。每處理設(shè)置2個平行，并設(shè)黑暗對照，于不同時間取樣處理檢測。

1.3.3 樣品前處理 將20 mL試驗水樣置于分液漏斗中，加入20 mL乙酸乙酯手動振蕩提取1 min，收集上層乙酸乙酯提取液并置于平底燒瓶中，在40 ℃下旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)至近干，用流動相定容至5 mL，取1 mL過0.45 μm濾膜，待液相色譜檢測。

1.3.4 HPLC檢測條件 色譜柱為Waters XBridgeTM C18（5 μm，250 mm×4.6 mm）;柱溫箱為40 ℃;流動相體積比 乙腈 ∶ 水=80 ∶ 20，流速為1.0 mL/min;進樣體積10 μL;運行時間6 min;檢測波長為270 nm;保留時間約為3.3 min。

1.3.5 線性范圍 將0.10、0.50、1.01、2.01、5.03、10.06、20.11 mg/L異唑草酮系列標(biāo)準(zhǔn)工作溶液按儀器檢測條件進樣，每濃度進樣3針，獲得色譜響應(yīng)值，以濃度-峰面積繪制異唑草酮標(biāo)準(zhǔn)曲線。

1.3.6 添加回收率 在pH值為4、7、9的緩沖溶液及蒸餾水中分別添加異唑草酮標(biāo)準(zhǔn)溶液，使其質(zhì)量濃度分別為010、5.03 mg/L，每個添加水平均設(shè)5個重復(fù)，同時設(shè)置不加藥劑的空白對照，按樣品處理和儀器檢測條件進行分析。

1.4 數(shù)據(jù)計算與統(tǒng)計分析

采用Sigmaplot 10.0統(tǒng)計軟件對異唑草酮水解和在水中的光解試驗數(shù)據(jù)進行一級動力學(xué)方程擬合，計算不同降解條件下的半衰期、溫度效應(yīng)系數(shù)（Q）和反應(yīng)活化能（Ea，kJ/mol）

式中：Ct為t時水中異唑草酮殘留含量，mg/L;C0為水中異唑草酮初始含量，mg/L;K為降解速率常數(shù)，h-1;t為培養(yǎng)時間，h;t1/2為降解半衰期，h;R為氣體常數(shù)，其值為 8.314 J/（K·mol），T為絕對溫度，K;A為頻率因子。

2 結(jié)果與分析

2.1 檢測方法的驗證

異唑草酮標(biāo)準(zhǔn)工作液在0.10～20.11 mg/L范圍內(nèi)的回歸方程為y=83 115.665 4x-4 116.732 8（r2=0.999 5），線性相關(guān)性良好;在添加水平為0.10、5.03 mg/L時，異唑草酮在不同pH值緩沖溶液和蒸餾水中的平均回收率為 90%～99%，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）為0.5%～3.3%;儀器對異唑草酮的最小檢出量（LOD）為4.00×10-9 g，異唑草酮在水體中的最低檢出濃度（LOQ）為0.025 mg/L。異唑草酮標(biāo)樣及水中添加回收色譜見圖2。

2.2 異唑草酮的水解特性

2.2.1 異唑草酮的水解動力學(xué) 研究結(jié)果表明，在2種試驗溫度條件下，異唑草酮在3種pH值緩沖溶液中的濃度

均隨著反應(yīng)時間的延長而逐漸降低，其水解動力學(xué)均符合一級動力學(xué)方程（表1）。25 ℃條件下，異唑草酮在pH值為4、7、9的緩沖溶液中的水解速率分別為0.004 6、0.008 4、0179 0 h，半衰期分別為150.70、82.50、3.90 h。50 ℃條件下，異唑草酮在pH值為4、7、9的緩沖溶液中的水解速率分別為0.035 7、0.169 0、0.924 0 h，半衰期分別為1940、410、0.75 h。根據(jù)我國農(nóng)藥登記試驗水解等級劃分標(biāo)準(zhǔn)[7]，異唑草酮屬于易水解農(nóng)藥。

2.2.2 溫度對水解的影響 在pH值為4的緩沖溶液中，異唑草酮在25、50 ℃條件下的水解曲線見圖3-A。25 ℃條件下異唑草酮在pH值為4緩沖液中的初始實測濃度為487 mg/L，水解反應(yīng)30 h時，殘留濃度為3.96 mg/L，其水解率僅為19%;50 ℃條件下異唑草酮在pH值為4的緩沖液中的初始實測濃度為4.86 mg/L，水解反應(yīng)30 h時，殘留濃度為1.71 mg/L，其水解率達(dá)到65%。異唑草酮在其他2種緩沖液中也表現(xiàn)出相同的水解規(guī)律，即其水解速率隨溫度的升高而加快。有機化合物的水解與溫度密切相關(guān)，化合物水解反應(yīng)的活化能主要來源于分子之間的碰撞，因此溫度升高，分子之間碰撞概率增多，則水解速率加快[8]。通常采用溫度效應(yīng)系數(shù)來說明水解速率常數(shù)與溫度的關(guān)系，在本研究中，異唑草酮在pH值為4、7、9的緩沖液中Q值分別為7.8、201、5.2，結(jié)果表明異唑草酮在中性條件下的水解速率受溫度影響較大。

2.2.3 pH值對水解的影響 25 ℃條件下， 異唑草酮在3種不同pH值緩沖溶液中的水解動態(tài)見圖3-B。在pH值為4和pH值為7的緩沖溶液中水解率達(dá)到90%以上分別需要552 h和336 h，而在pH值為9的緩沖溶液中反應(yīng)23 h，其水解率就高達(dá)98%。因此，異唑草酮在堿性緩沖溶液中水解速率最快，中性緩沖液中次之，而在酸性緩沖液條件下的水解速率則最慢?；罨苁腔鶓B(tài)反應(yīng)物分子與過渡態(tài)之間的能量差，其決定反應(yīng)發(fā)生的快速程度，只有發(fā)生碰撞分子的能量等于或超過某一定的能量（活化能）時，才可能形成有效碰撞。反應(yīng)的活化能越低，則在一定溫度下活化分子數(shù)越多，反應(yīng)就越快。在本研究中，根據(jù)Arrhenius經(jīng)驗式[9]計算異唑草酮在pH值為4、7、9緩沖液中的Ea值分別為57、83、 45 kJ/mol（表2），表明異唑草酮在pH值為9的緩沖液中發(fā)生水解反應(yīng)所需要的能量最低，水解速率應(yīng)最快，這一推斷也與本試驗研究結(jié)果一致。同時計算獲得的異唑草酮在pH值為7的緩沖液中Ea值高于pH值為4的緩沖液，但其在pH值為7的緩沖液中的水解速率亦快于pH值為4的緩沖液，說明異唑草酮水解反應(yīng)速率除與活化能有關(guān)外，還可能與緩沖液的成分和濃度有關(guān)，即其水解受親核試劑影響，推測異唑草酮在緩沖液中水解易受氫氧根離子進攻，且應(yīng)是雙分子親核取代反應(yīng)[10-12]。

2.3 異唑草酮在水中的光解特性

黑暗和光照條件下異唑草酮在水中的降解動態(tài)曲線見圖4。黑暗條件下，異唑草酮的初始實測濃度為 4.78 mg/L，光解反應(yīng)24 h時的殘留濃度為4.51 mg/L，降解率僅為6%;光照條件下，異唑草酮的質(zhì)量濃度隨光解反應(yīng)時間的延長逐漸下降，其初始實測濃度為4.68 mg/L，光解反應(yīng)24 h時的殘留濃度為0.30 mg/L，降解率達(dá)到了94%。對異唑草酮在水中的光解動態(tài)數(shù)據(jù)進行回歸分析，得到較好的一級動力學(xué)方程Ct=4.218 5e-0.108 4t（R2=0.991 3），半衰期為6.4 h，根據(jù)我國農(nóng)藥登記試驗的光解特性等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，異唑草酮在水中的光解性能為中等光解。

3 討論與結(jié)論

異唑草酮的水解速率隨體系溫度的升高而加快，在堿性條件下水解速率最快，在酸性條件下則最慢，其溫度效應(yīng)系數(shù)和活化能均是在堿性緩沖液中最低。異唑草酮的水解特性符合一級動力學(xué)方程，25 ℃條件下其在pH值為4、7、9的緩沖溶液中的水解半衰期分別為150.70、82.50、3.90 h;50 ℃ 條件下的水解半衰期分別為19.40、4.10、0.75 h，糧農(nóng)組織/世界衛(wèi)生組織農(nóng)藥殘留聯(lián)合專家會議（JMPR）對異唑草酮的水解評估結(jié)果也是在堿性條件下最快，其在pH值為5、7、9的緩沖溶液中水解半衰期分別為11.1 d、20.1 h、32 h[13]，本研究結(jié)果與JMPR評估結(jié)果基本一致。根據(jù)我國農(nóng)藥登記試驗水解等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，異唑草酮屬于易水解農(nóng)藥。異唑草酮在水中的光解趨勢明顯，在25 ℃、光照度為3 350 lx以及紫外強度為58.8 μW/cm2條件下其光解半衰期為6.4 h，JMPR評估的結(jié)果是40 h，本研究結(jié)果與之差別較大，原因可能是JMPR提供的研究介質(zhì)是pH值為5的緩沖液且加了1%的乙腈，本研究的介質(zhì)是純水，相比較而言，JMPR提供的結(jié)果更真實地反應(yīng)了異唑草酮在水中的光解特性，而本研究的結(jié)果更符合實際水中光解情況。根據(jù)我國農(nóng)藥登記試驗的光解特性等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，異唑草酮在水中的光解性能為中等光解。異唑草酮主要應(yīng)用于玉米、甘蔗、甜菜等作物田，防治一年生雜草，即可噴施也可用于土壤處理，被植物吸收后，可快速打開唑環(huán)，形成代謝物二酮腈。因此，在研究評估其環(huán)境安全風(fēng)險時，應(yīng)同時考察母體和代謝物二酮腈的作物殘留、土壤降解、土壤吸附、水解、光解等環(huán)境行為，確保客觀地評估其環(huán)境安全性。

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