约翰霍普金斯大学张卓越、Carsten Prasse团队Nature Water: 破解苯酚氯化消毒生成环裂解产物之谜

图文摘要

成果简介

近日，美国约翰霍普金斯大学张卓越和 Carsten Prasse 及其合作者在水环境领域著名学术期刊 Natrue water 上发表了题为 “Stable isotope labelling to elucidate ring cleavage mechanisms of disinfection by-product formation during chlorination of phenols” 的论文 。文中以不同位置稳定同位素 ¹³ C 标记的对羟基苯甲酸乙酯为模型物质来确定苯酚在氯化消毒过程中形成环裂解产物的机制。本研究结果首次验证了了四种环裂解途径的存在，其中三条途径涉及源自芳香环的碳原子，而第四条途径则涉及在生成二氯乙酸和 C ₄ - 二羧酸过程中取代基羧酸酯的碳原子。通过对 ¹³ C 标记的消毒副产物的定量比较，进一步评估了不同途径各自的贡献，为以往消毒副产物研究中一直难以明晰的环裂解反应机制提供全新的见解 。

引言

氯常常被用作消毒剂，用于灭活饮用水、城市废水和游泳池中的病原体。然而，氯与溶解性有机化合物反应会生成大量有毒消毒副产物（ DBPs ）。酚类因其与氯反应活性高且在环境中广泛存在，故作为 DBP 前体显得尤为重要。过去对酚类氯化的研究主要集中在氯酚上，以及一碳（ C ₁ ）和二碳（ C ₂ ） DBPs ，如三卤甲烷（ THMs ）和卤乙酸（ HAAs ），它们是目前美国和许多国家饮用水中受监管的仅有的有机 DBPs 。但近期研究表明， C ₁ - 和 C ₂ -DBPs 只能部分解释氯化水的（细胞）毒性，这凸显了研究含两个以上碳原子的未鉴定 DBPs 的重要性。而近年来研究发现酚类氯化还会形成四碳（ C ₄ ） DBPs 。尽管对酚类氯化形成 DBPs 已有数十年研究，但对酚类环裂解途径的机理仍知之甚少 。

为系统阐明酚类氯化过程中生成 C ₂ -HAAs 和 C ₄ -DBPs 的环裂解途径，本研究使用一系列 ¹³ C 标记的对羟基苯甲酸乙酯（ EP ）作为模型酚类物质，因其广泛用作抗菌防腐剂、常出现于水环境、具有雌激素干扰特性，且可作为天然有机物的模型化合物，有助于深入了解饮用水氯化消毒过程中 DBPs 的形成 。

图文导读

图 1 ： EP0 及其 DBPs 的结构，以及它们随时间的浓度变化。

利用液相色谱 - 高分辨质谱技术对羟基苯甲酸乙酯在氯化过程中所产生的消毒副产物进行系统分析，共识别出 15 种 DBPs 。在本次研究重点关注的 C ₂ - 和 C ₄ -DBPs 中， Cl-MA 的浓度在长达 24 小时的反应进程中呈现出持续上升的趋势，而其余物质的浓度则在大约 5 小时后相对稳定。值得注意的是， α,β- 不饱和 C ₄ - 二醛即 BDA 在反应开始后的第一小时内迅速达到浓度峰值，随后便逐渐下降； Cl-BDA 的形成趋势与 BDA 相似，但浓度明显较低。这表明，这些 DBPs 是通过彼此相互独立的不同反应途径生成的。除了上述 C ₂ - 和 C ₄ -DBPs 之外，研究过程中还观察到了一氯 对羟基苯甲酸乙酯、二氯对羟基苯甲酸乙酯以及 2,4,6 - 三氯苯酚等。同时，在反应开始后 5 分钟采样期间，还检测到了对羟基苯甲酸乙酯偶联产物。这些保持苯环结构完整的化合物，在反应初期均呈现出快速形成的特点，而后其浓度逐渐衰减。这种现象表明，这些化合物在形成之后会进一步发生转化，从而生成其他类型的 DBPs 。

图 2 ：对羟基苯甲酸乙酯可能的环裂解途径和使用的 ¹³ C 标记的对羟基苯甲酸乙酯

考虑到对羟基苯甲酸乙酯中碳环的对称结构，本研究提出了四种可能促成 C ₂ - 和 C ₄ -DBPs 形成的环裂解途径。途径 1 至 3 产生的副产物仅包含源自对羟基苯甲酸乙酯芳环的碳原子，而途径 4 产生的副产物还包含羧酸酯基上的碳原子。在途径 1 中，对羟基苯甲酸乙酯与氯发生反应，导致芳环在羟基取代的碳原子与其邻位碳原子之间发生裂解。同样地，在途径 2 中，环裂解发生在邻位碳原子和间位碳原子之间。在途径 3 中，裂解则发生在间位碳原子和对位碳原子之间。对羟基苯甲酸乙酯中与羟基对位的羧酸酯基碳原子，也可能参与 C ₂ - 和 C ₄ -DBPs 的形成 。

图 3 ： ¹³ C 标记的对羟基苯甲酸乙酯生成 ¹³ C 标记的 C ₂ - 和 C ₄ -DBPs 的分布和一致性

对于 DiCl-AA ，在 EP5 的氯化反应中， ¹³ C−DiCl−AA 是主要产物，这表明 EP5 取代基中的 ¹³ C 酯羰基碳原子通过途径 4 参与了二氯乙酸的形成过程。进一步来说，在 EP1 的氯化反应中观察到的未标记二氯乙酸，可归因于途径 1 、途径 2 ；而在 EP4 的氯化反应中检测到的 ¹³ C-DiCl-AA ，则可归因于途径 2 、途径 3 。总体而言，途径 2 和途径 4 是对羟基苯甲酸乙酯氯化过程中导致二氯乙酸形成的两条环裂解途径 。

对于 TriCl-AA ，在 EP5 的氯化反应中未检测到 ¹³ C-TriCl-AA ，这表明酯类取代基无法通过途径 4 转化为三氯乙酸的羧酸部分。因此，途径 1 、途径 2 和途径 3 是三氯乙酸形成的主要途径。

对于 Cl-MA ，在对 EP5 进行氯化时， ¹³ C-Cl-MA 被观察到是次要产物，这表明 EP5 中的 ¹³ C 羰基碳通过途径 4 参与了氯乙酸的形成。对于 EP4 ， ¹³ C-Cl-MA 的形成表明途径 1 参与其中，而作为主要产物的 ¹³ C-Cl-MA 的形成则表明途径 2 、途径 3 参与其中。此外，来自 EP4 的 ¹³ C-Cl-MA 的二级质谱图显示，从前体物质中裂解出了未标记的 CO ₂ ，这支持了 ¹³ C 标记位于烯烃部分而非羧酸基团上。总体而言，这表明途径 3 不参与 ¹³ C−Cl−MA 的形成，其形成主要归因于途径 1 、 2 和 4 。

对于 BDA ，就 EP5 而言，未检测到 ¹³ C−BDA ，这表明取代基中的羰基碳原子并未参与 BDA 的形成过程，因此可以排除途径 4 作为其可能的形成途径。在 EP4 的情况中，仅观察到 ¹³ C ₂ −BDA 这一种产物，这意味着途径 1 是导致丁烯二醛形成的唯一途径。

表 1 ：各反应途径对 Cl-MA 、 BDA 、 DiCl-AA 和 TriCl-AA 生成的贡献。

所呈现的值是根据五种对羟基苯甲酸乙酯的结果计算得出的平均贡献值；括号内的数字表示实际计算结果的范围 。

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几十年来，研究人员一直致力于探究芳香族化合物，尤其是酚类物质，是如何通过环裂解机制转化为小分子量消毒副产物的，这其中也包括受管控的卤代乙酸（ HAAs ）。本研究详细评估了酚类化合物形成 C ₂ -DBPs 和 C ₄ -DBPs （包括具有毒理学隐患的 DBPs ）的途径。对四条环裂解途径的识别，让我们对酚类氯化过程中 C ₂ -DBPs 和 C ₄ -DBPs 形成的基本机制有了更全面的理解。我们的研究结果提供了直接证据，表明二氯乙酸（ DiCl-AA ）和三氯乙酸（ TriCl-AA ）是通过不同的反应途径形成的，这证实了之前基于酚类氯化过程中这两种 DBPs 不同生成模式所做的推断。途径 4 （酯基转化为羧酸，生成二氯乙酸和 Cl-MA 的关联性，凸显了取代基对环裂解反应的重大影响。最后，尽管近期研究主要聚焦于酚类氯化过程中作为 DBPs 的氯化 1,4- 苯醌的形成，但本研究表明，氯化 1,2- 苯醌很可能是生成 α,β- 不饱和 C ₄ - 二醛的关键中间体。识别这些反应途径，有助于找出相关前体物质，如天然有机物（ NOM ），这对于理解有毒 DBPs 的形成至关重要 。

为了更全面地理解有毒DBPs的形成，未来的研究应着重于表征中间体的（转化）过程，比如氯化1,2-苯醌。我们的研究结果还强调，不能仅关注目前受管控的HAAs和三卤甲烷（THMs），还需确定C ₄ -DBPs及其他非管控DBPs可能对环境和人类健康产生的影响。对于某些难以用现有方法检测的DBPs，如α,β-不饱和醛，应探索新的分析方法。固相反应导向萃取（SPREx）以及用于液相色谱-高分辨质谱（LC-HRMS）分离的混合模式柱或亲水相互作用色谱（HILIC）柱，与气相色谱-质谱联用，在解决现有分析局限性方面展现出巨大潜力。最后，未来的研究应更多地使用同位素标记化合物（包括 ¹³ C标记的其他酚类），以进一步阐明消毒及其他旨在去除有机污染物的氧化处理过程中产生的副产物生成机理。