反应性和转化抗菌N氧化物存在氧化锰外文翻译资料

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反应性和转化抗菌N氧化物存在氧化锰

有机氮-氧化物是许多制药和工业化学品中的重要结构类。关于有机氮-氧化物在沉积物 - 水界面处的潜在转化了解甚少。兽用抗菌剂卡巴氧和喹喹酮是常用的杂环氮-氧化物的实例。用各种氮-氧化物包括卡巴氧，喹唑啉，喹啉氮-氧化物和喹哪霉素的研究显示对于除了喹氯喹外的所有化合物，对二氧化锰具有惊人的高反应性。

脱氧碳ox和喹喔啉，缺少氮-氧化物官能团的两种结构相关的化合物，显示出对二氧化锰更低或没有反应性。先前化合物之间的比较表明氮-氧化物部分是对二氧化锰的主要反应位点，并且在邻近氮-氧化物基团的R-C处的取代在确定总反应性中是关键的。氮-氧化物与二氧化锰的反应似乎是氧化，产生Mn 2 并行于母体有机物的降解。产物表征证实喹啉氮-氧化物和喹氧还蛋白分别在与二氧化锰反应中转化成2-羟基喹啉和喹喔啉2,3-二醇。该转化包括通过18 O同位素实验阐明的氮-氧化物部分脱氧和相邻R-C羟基化的单独步骤。所有的实验结果指出涉及氮-氧化物自由基中间体的机制。这是第一个研究报告有机氮-氧化物对氧化锰的这种转化反应性，提供了一个新的降解途径，可能对这组化合物的命运在水生环境中是重要的。

介绍

喹啉氮-氧化物和喹喔啉N，N - 二氧化物（图1所示的实例结构）代表了在许多药物，农用化学品和工业化学品中常见的有机氮-氧化物（1,2）。在许多药物和异生物的代谢物中以及在合成化学过程的中间体中也观察到氮-氧化物结构，因为N原子可以经历羟基化或氧化以形成氮-氧化物（3）。几种喹喔啉N，N-二氧化物已经被开发为有效的抗菌剂以促进生长并防止家畜中的痢疾和细菌性肠炎（4-6）。其中，卡巴腙（甲基-3-（2-喹喔啉基亚甲基）肼基甲酸酯N，N-二氧化物）和喹喔啉（2-甲基-3- [N-（2-羟乙基）氨基甲酰基]

喹喔啉N，N - 二氧化物）（图1）已被广泛使用。发现卡巴氧和脱氧卡巴氧（图1）是卡巴氧的主要代谢物，被怀疑是致癌物和诱变剂（4,5）。因此，在欧洲的动物饲料中已禁止加入卡巴氧化（7）。

对于许多有机氮-氧化物在各种应用中的常见用途及其对人和动物的潜在毒性需要更好地理解这些化合物的环境命运以适当地评估它们的风险。综合文献检索揭示了在一定的环境条件下非氧化物或生物转化氮-氧化物的非常有限的信息。个别的，对土壤中金属氧化物的氮-氧化物的潜在转化的研究基本上不存在。到目前为止，大多数已发表的研究集中在有机氮-氧化物的光解反应。例如，在样品制备过程中已观察到卡巴氧和脱氧碳氧还蛋白的光解活性（即，用这些化合物掺加新鲜组织样品，然后用整个过程提取和清洁约2小时（8））。研究表明，罩中最小的白炽光到达样品并引起降解，特别是对脱氧碳ox。相关文献已经发表了关于杂环氮-氧化物在水或有机溶剂介质中的光化学反应的相对广泛的信息（参见参考文献2和9）。因此，在大多数日光照射环境中可以预期有机氮-氧化物的光解。记录了分布系数Kd在0.7-1.7mL / g的范围内对各种土壤类型轻度吸附喹唑菌酮（10）。一项研究报告了喹唑菌可能的有氧和厌氧生物降解（50-5000mu;g/ L），在厌氧条件下具有较慢的降解速率（11）。

在最近的一次研究中，在美国各个位置的104个样品中，在方法检测限为0.1mu;g/ L时未检测到卡巴氧化（12）。尽管如此，氮-氧化物如卡巴氧及其代谢物可通过粪便应用或从饲料废物进入土壤，而工业氮-氧化物可从废水处理厂进入水生系统。这些氮-氧化物可能最终在地表或地下水中并与土壤和沉积物接触。氧化锰是促进土壤和沉积物中的有机污染物转化的最重要的天然存在的氧化剂，并且由于其高还原电位而值得特别注意。以前的工作已经证明锰氧化物对于包括取代酚（例如参考文献13和14）和苯胺（例如参考文献15和16）的大范围污染物是有效的氧化剂。Li等人最近的一项研究 （17）表明，在芳香胺的不可逆氧化和转化中，土壤Mn（III / IV）氧化物除了其他土壤成分如有机物质和氧化铁外，起着最重要的作用。如将在后面讨论的，该研究表明某些有机氮-氧化物对氧化锰促进的氧化是高度敏感的。

在本研究中，与模型化合物喹啉氮-氧化物（QNO），喹喔啉氮-氧化物（QXO），喹氧还蛋白（或喹喔啉）一起研究了兽用抗菌药卡巴多索（CDX），喹恶酮（ODX）和脱氧卡巴氧 线N，N - 二氧化物）（QDX）和喹喔啉（QX）（图1）用于与二氧化锰反应。发现了之前从未报道过杂环氮-氧化物和氧化锰的氧化还原反应途径。基于动力学，产物表征和结构相关的化合物比较的结果，提出了该新反应途径的方案。

图1.本研究中研究的有机氮-氧化物和相关化合物的结构。

材料和方法

化学试剂和制备。通过Millipore水纯化系统制备试剂级水（18.3MOmega;-cm电阻率）。 CDX购自Sigma（St.Louis，MO）。ODX获自ICN Biomedicals。 QNO，QX，2-羟基喹啉，4-羟基喹啉，喹喔啉2,3-二醇和甲基三氧化铼购自Aldrich。所有以前的化学品具有大于97％的纯度。H2O18从剑桥同位素获得，纯度为95％。其它使用的化学试剂以大于98％的纯度（对于固体）或HPLC和GC级（对于溶剂）从Fisher Scientific或Aldrich获得。所有化学试剂直接使用而无需进一步纯化。根据Zhang和Huang（14）报道的Murray（18）的方法，合成了二氧化锰（auml;-MnO2，类似于天然产生的水钠锰矿）。

QDX按照来自Coperet等人的方法合成。 （19）。 简言之，首先将QX（1.302g）和甲基三氧化铼（MTO 25mg）在4mL二氯甲烷（MeCl 2）中混合，然后加入4mL 30％H 2 O 2水溶液（40mmol）。将所得的两相反应混合物在24℃下连续搅拌16-20小时，然后用催化量（2.5mg）的二氧化锰处理，再搅拌1小时，直到不再产生氧气。然后，使反应混合物进行相分离。然后，将水层用4mL的MeCl 2萃取两次。合并的有机层用硫酸钠干燥，通过玻璃纤维过滤器（47mm，Pall Corporation）过滤，并在温和的氮气流下浓缩，主要得到QDX和衡量的的QXO。然后将混合物溶解在约2mL甲醇中并进行HPLC级分收集。使用旋转蒸发器将收集的QDX和QXO级分分别蒸发至干将纯化的QDX和QXO保存在冰箱中以储存。Coperet et al。 （19）报道QDX的产率为98％。 本研究中QDX和QXO的产量未确定。按照Massy和McKillop（20）的方法合成脱氧-CDX。简言之，将CDX（6.0g）分散在120mL乙酸中，将混合物短暂回流，然后快速冷却至26℃。将Na 2 S 2 O 4（85％，10.56g）溶解在60mL冷水中，立即将溶液加入到搅拌的分散体中，伴随温度升至33℃。搅拌1小时后，将混合物置于旋转蒸发器中蒸发至干。样品干燥后，向残余物中加入60mL水，并将所得混合物在冰箱中冷却至4℃过夜。将混合物通过玻璃纤维过滤器过滤，并将收集的固体用6mL水洗涤三次。真空干燥后，得到棕色结晶脱氧-CDX。 Massy和McKillop（20）报道了66％的脱氧-CDX产率。虽然本研究中的产量未确定，但基于合成的用二极管阵列UV / vis检测器通过HPLC观察到的高峰纯度，脱氧-CDX表现出令人满意的纯度。

在纯甲醇中以100-120mg / L制备氮-氧化物和相关模型化合物的储备液。所有储备物储存在4℃下，并在制备的一个月内使用。

反应器设置。氮-氧化物与二氧化锰的反应的实验设置与先前研究（14）中使用的相似。简言之，所有实验在具有特氟隆隔片的25mL螺旋盖琥珀色玻璃瓶中，在22℃水浴中持续搅拌下进行。用10mM乙酸盐（pH 4-5），4-吗啉代丙磺酸（MOPS）（pH 6-8）或2-（环己基氨基）乙磺酸（CHES）（pH 9-10）维持反应pH， 缓冲区。通过向含有氧化锰，缓冲液和恒定离子介质的溶液中加入一定量的有机原料来引发反应。定期收集等分试样，立即淬灭反应，通过离心（12000转/分钟20分钟）或加入抗坏血酸（0.1M）进行分析。典型的反应时间为数小时至数天。与每批反应同时制备单独具有氮-氧化物和单独使用反应介质的对照。

氮-氧化物和微量分析。通过具有Zorbax RX-C18柱（4.6times;250mm，5mu;m）和二极管阵列的反相高性能液相色谱（HPLC）系统监测氮-氧化物和其它结构相关化合物的浓度的降低 UV / vis检测器（DAD）（1100，Agilent Technology）。在308nm检测CDX和脱氧-CDX，并且通过UV检测器在262nm检测ODX。在230nm检测所有其他化合物。流动相由含有20mM乙酸铵（洗脱液A）和乙腈（洗脱液B）的溶液组成，流速为1mL / min。流动相以5％B（95％A）开始，在10分钟内增加至60％B，并且增加至95％B直至11分钟，然后将柱在这些条件下彻底冲洗4分钟，随后4分钟 min柱时间，允许柱的重新平衡。

使用电感耦合等离子体（ICP）光谱仪（Thermo Jarrell Ash Trace Analyzer）（关于分析程序的细节，参见参考文献14）监测从二氧化锰的还原溶解产生MnII离子。仅使用氧化锰，电解质和pH缓冲液的对照显示在不存在氮-氧化物的情况下不发生二氧化锰的溶解。

有机产品分析。通过具有Zorbax SB-C18柱（2.4times;150mm，5mu;m）（1100 / 1100MSD，Agilent Technology）的HPLC / DAD / MS系统分析反应产物。通常，在pH 4下制备20mL含有0.1mM 氮-氧化物和1mM 二氧化锰的反应悬浮液，以产生足够量的产物用于LC / MS分析。在本研究中研究的其它pH值下，反应产物相同。 还在在H₂O₁₈中制备的反应悬浮液中进行产物分析，并且通过加入少量的0.1M HCl调节pH，其它条件与常规水相同。将H₂O₁₈反应悬浮液平衡过夜，然后加入氮-氧化物原料以引发反应。 通过离心（12000转/分钟20分钟），在1-7天后猝灭反应，并通过LC / MS分析上清液。 使用纯乙腈和0.02％乙酸在90:10水/乙腈（v / v）中的溶液以0.20mL / min的流速进行梯度洗脱。 通过电喷雾正离子化在碎片电压80-120V，质量扫描范围50-1000m / z下进行MS分析。 其他LC / MS仪器参数与以前报道的相似（14）。

有机氮-氧化物和相关化合物的动力学比较

a典型反应条件：1mM 二氧化锰，10mu;M有机化合物，0.01M pH 4缓冲液，0.01M NaCl，22℃。 b用来自实验重复的95％置信水平报告初始反应速率。）Cads / Ctotal（％）。

图2. MnO2的CDX氧化的时间过程。 反应最初含有1mM 二氧化锰和10mu;MCDX，pH为4的乙酸盐缓冲液，22℃。

结果与讨论

反应动力学。在没有氧化锰的情况下，在该研究中研究的所有氮-氧化物在实验条件下是稳定的，并且在一周后没有检测到化合物的可测量的损失。相比之下，在二氧化锰的存在下发生氮-氧化物（CDX，QDX，QXO和QNO）的显着降解（表1）。与二氧化锰的CDX反应的典型时间进程显示在ln- [CDX]对时间半对数图（图2）中。数据显示反应动力学偏离伪一级动力学，甚至在最初几个时间增量。对于所有其它氮-氧化物观察到类似的动力学行为。为了进行比较，基于初始反应速率rinit（ - dC / dt）以M h-1（即，绘图浓度对时间的最初几个时间增量的斜率（在反应时间2 h，对于线性化，R 2 g 0.95））。在许多先前的研究中也观察到涉及氧化锰表面的这种复杂的动力学行为（例如参考文献13-15）。

表1中的数据表明QDX以最快的速率与二氧化锰反应。 QXO，QNO和CDX以类似的初始反应速率反应，其大约是QDX速率的一半。 脱氧-CDX比CDX反应慢2个数量级。 ODX表现出与先前氮-氧化物不同的行为，在长达一周内没有可检测的降解。 结构相关但非氮-氧化物喹喔啉也不与二氧化锰反应。

进行了具有变化的CDX负载（5-50mu;M），但具有固定的二氧化锰负载（1或3mM）或具有不同的氧化锰负载（0.1-3mM）但是具有固定的CDX负载（10mu;M）的一系列实验， 相对于CDX和二氧化锰的初始反应级数（图3a）。 当CDX负载低于20mu;M时，初始反应的对数

图3.相对于（a）CDX和二氧化锰在pH 4和22℃和（b）pH，10mu;MCDX和3mM 二氧化锰，最初在22℃的反应级数。 在适用时，数据以95％置信水平报告。

速率rinit随着CDX负荷的对数线性增加，斜率为0.55-0.58。然而，当CDX负载高于20mu;M时，log rinit似乎低于线性增加，表明在较高浓度的CDX存在下可能接近表面饱和。这种现象与前一工作（14）中的观察结果类似，其中具有固定量的二氧化锰（摩尔过量于三氯生）的酚防腐剂三氯生的反应速率的增加随着三氯生浓度的增加而快速减少。本发明的研究还表明，甚至在超过20倍摩尔过量的二氧化锰也可被少量的CDX分子饱和，这表明反应性表面位点的数目相当有限。对于二氧化锰，通过在所研究的范围内绘制log Rinit对二氧化锰负载的对数，获得0.54的斜率。这些结果证明，相对于CDX或二氧化锰

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