题名酰苯胺类手性农药在黄粉虫体内的手性转化和选择性富集代谢
作者高永鑫
学位类别博士
答辩日期2014-05
授予单位中国科学院研究生院
授予地点北京
导师李建中
关键词手性农药 手性合成 黄粉虫 手性转化 选择性富集 chiral pesticide chiral synthesis enantioselectivity Tenebrio molitor larvae enantiomerization bioaccumulation
其他题名Enantiomerization and Enantioselective Bioaccumulation of anilide chiral fungicide in Tenebrio molitor Larvae from Wheat Bran
学位专业环境科学
中文摘要   目前使用的农药大约有 30%是手性的,研究表明,手性农药对映体在手性环境中会表现出不同的活性、毒性、转移及代谢等,并且使用具有高生物活性的单一对映体的手性农药可以减少农药的使用量和环境污染。在未来,可能有越来越多的具有高活性的单一对映体的手性农药取代外消旋体。但是在一些条件下(微生物、酶和化学条件),具有光学活性的手性农药对映体可能不稳定,发生手性转化,即外消旋化,从而使得手性农药的环境行为和生态效应变得更为复杂。因此,研究手性农药在环境中的稳定性和手性转化作用机制对于准确的评价手性农药的安全性具有十分重要的意义。
    昆虫是生物圈里数量最为庞大的种类,处于食物链的底部,也是沟通生物与生态环境的重要桥梁,目前关于手性农药在昆虫体内的手性行为研究甚少。黄粉虫是一种重要的鞘翅目类昆虫,是很多动物的食物源,本论文以黄粉虫幼虫为研究对象,研究了 3种酰苯胺类手性杀菌剂在黄粉虫幼虫体内的手性转化和选择性生物富集和代谢,并对手性转化机理进行了初步的研究。
    本论文研究了酰苯胺类手性杀菌剂苯霜灵、甲霜灵和呋霜灵对映体的手性合成方法。用光学纯的化合物为起始原料,设计了一条合成酰苯胺类手性杀菌剂单一对映体的方法,该合成方法十分便捷。具体过程是,首先用前手性化合物 L-乳酸和 D-乳酸作为起始原料,进行甲酯化和三氟甲磺酰化,再与 2,6-二甲基苯胺进行胺烷基化,最后进行酰化得到与起始立体构型相反的光学对映体。产物经 HPLC结合手性柱检测,光学纯度均达  98%以上。
    利用高效液相色谱串联质谱 (HPLC-MS/MS)与手性柱(Chiralcel OD-3R和ChiralPAK IC)结合,在反相条件下对酰苯胺类手性杀菌剂的对映体进行手性分离,并且先后建立了苯霜灵、甲霜灵和呋霜灵在麦麸和黄粉虫幼虫中的对映体残留分析方法。方法的准确度、精密度及灵敏度均符合农药残留分析的要求。该方法的优点是很好的解决了传统分析方法灵敏度低、基质干扰大等分离难题。
    研究了苯霜灵、甲霜灵和呋霜灵对映体在黄粉虫幼虫体内的手性转化情况,结果显示,三个手性农药的对映体在黄粉虫幼虫体内均发生了明显的手性转化,而在麦麸中没有发生转化。初步分析认为是黄粉虫体内的某种消旋酶的作用导致了对映体之间的快速转化。根据苯霜灵、甲霜灵和呋霜灵对映体在黄粉虫体内的吸收,对映体转化和降解过程,建立了动力学模型。借助 SPSS16.0的非线性拟合功能,将苯霜灵、甲霜灵和呋霜灵对映体在黄粉虫幼虫体内的平均浓度(n=3)和时间进行拟合。分别求得了各个对映体近似的吸收速率、转化速率和降解速率。根据手性转化的结果,探讨了酰苯胺类手性杀菌剂对映体的手性转化机理。从分子结构的角度假设了一种机理,酰苯胺类手性农药的手性碳上连有一个羰基和一个与之共轭的酰胺基团,羰基和氨基的吸电子诱导效应使得与手性中心碳原子相连的氢质子显酸性,氢质子在生物碱或酶的作用下容易离去产生一个碳负离子中间态。如果在新的质子化环境中,另外的氢质子会从碳负离子的上面,或者下面进攻,从而导致对映体之间的手性转化。从分子结构上比较了苯霜灵、甲霜灵和呋霜灵这三个手性农药手性转化趋势的差异性,其中苯霜灵的手性转化趋势最明显。认为是不同酰基的吸电子诱导效应导致了苯霜灵、甲霜灵和呋霜灵对映体在手性转化过程中的差异。
    研究了苯霜灵、甲霜灵和呋霜灵在黄粉虫幼虫体内的选择性富集及代谢行为。经过 21 d的暴露,结果显示,三种手性农药均在黄粉虫幼虫体内具有比较低的富集能力,富集能力的大小顺序为:苯霜灵>呋霜灵>甲霜灵。另外,三种手性农药对映体在黄粉虫体内的富集均具有明显的立体选择性。结果为: S-苯霜灵>R-苯霜灵,S-甲霜灵>R-甲霜灵,S-呋霜灵>R-呋霜灵。在代谢行为实验中发现,这三种手性农药在黄粉虫体内消除较快,半衰期均小于 1.5 d,在代谢过程中,对映体没有明显的立体选择性。
英文摘要 It has been estimated that approximately 30% of pesticides are chiral molecules,most of which are commercialized as racemic mixtures due to the limitation of chiral separation and  synthesis.  Enantiomers usually  exhibit different  properties in  chiral environment, which may lead  to variations in bioactivity, toxicity, biological  uptake,metabolic   pathways,  degradation,   and    so   on.   Some   chiral    pesticides   were configurationally instable under certain conditions and might undergo enantiomerization,  which  could  make the  environmental  behavior  and  ecological effects of chiral pesticides  complicated. Therefore, it is quite important  to obtain the information  on  the stability  of  individual  enantiomers of  a  chiral  pesticide  when assessing  the   possibility   of  developing   a  single   enantiomer  as   a   commercial pesticide.
    Insects are  among the  most diverse  group of  animals on  the planet,  including more  than a  million  described species  and  representing more  than  half of  known living organisms. They  are at the  bottom of the food  chain and an  important bridge communicating  with   biological  and   ecological  environment.   In  this   work,  the enantiomerization and  enatioselecive  bioaccumulation of  benalaxyl, metalaxyl  and furalaxyl by  a single  dose of  exposure to Tenebrio  molitor larvae  under laboratory conditions were studied by HPLC-MS/MS based on  two types of chiral columns and the mechanism of enantiomerization was also explored.
    In this  study, the  synthetic method  of the anilides  chiral fungicides  benalaxyl,metalaxyl and  furalaxyl enantiomers was  explored. A simple  synthesis method was designed  by  using  an  optically  active  starting   material.  The  specific  process  is subjecting  L-lactic   acid  and  D-lactic   acid  as  starting   raw  materials  to   methyl esterification,   acylation  with   trifluoromethanesulfonic   anhydride,   alkylation   of amines and acylation with acyl chloride. The optical purity of the products was about 98% by HPLC with chiral column.
    A   series   of   novel   and   sensitive   single   or   multi-residue   methods   for enantiomeric  analysis  of  anilides   chiral  fungicides  in  wheat  bran  and   Tenebrio molitor  larvae   by  HPLC-MS/MS  based   on  two  types  of   chiral  columns  were established.  Validation of  the  methods  included  precisions,  linearity  and  limit of detection which  were in accordance  with pesticide  residue analysis. The  developed methods  were  effective  for detecting  the  residual  enantiomers  in  the  matrix  and could be used for exploring the enantioselective environmental behaviors.
    Exposure   of  enantiopure   R  enantiomers   and   S  enantiomers   of  benalaxyl,metalaxyl    and   furalaxyl    in    Tenebrio    molitor    larvae   exhibited    significant enantiomerization with formation  of the R  antiomers from  the S enantiomers, and vice-versa, which  might be  attributed to  the chiral  pesticide catalyzed  by a  certain enzyme  in Tenebrio  molitor  larvae. Enantiomerization  was not  observed  in wheat bran  during the  period of  21  days. Mathematical  models  for a  process  of uptake,degradation   and   enantiomerization  were   developed   and   the   rates   of   uptake,degradation  and   enantiomerization  of   R  enantiomers   and  S   enantiomers  were estimated,   respectively.    One   hypothetical    pathway   of   enatiomerization    was mentioned via deprotonation of  an active proton at the  chiral center in the view  of a molecular  structure.   The   chiral  carbon   in  anilides   chiral  fungicides   holds   an electron-withdrawing carbonyl group  and a conjugated acetanilide  functional group. Therefore, the proton on the chiral center is  relatively acidic and is thus easily lost to create   an    intermediate   carbanion.    Under   protic    environment,   reprotonation regenerates the parent compound from either the  top or the bottom face of the anion,thus interconverting enantiomers.
     The  enatioselecive bioaccumulation  of benalaxyl,  metalaxyl  and furalaxyl  by dietary exposure to Tenebrio molitor larvae under laboratory conditions  were studied. After  21  days   of  exposure,  the   results  showed  that   the  enantiomers  of  chiral pesticides  in  three  all  have  relatively  low  bioaccumulation  capacity  in  Tenebrio molitor larvae. Overall,  the order of accumulation  ability in Tenebrio  molitor  larvae is benalaxyl  > furalaxyl  > metalaxyl. The  bioaccumulation of  benalaxyl, metalaxyl and   furalaxyl  was   enantioselective   in  Tenebrio   molitor   larvae.  The   result   is S-benalaxyl > R-benalaxyl, S-metalaxyl > R-metalaxyl, S-furalaxyl > R-furalaxyl. In degradation experiments, it was found that three chiral pesticides in Tenebrio molitor larvae were degradated rapidly and the half-lives of three all were less than 1.5 days.

公开日期2015-06-16
内容类型学位论文
源URL[http://ir.rcees.ac.cn/handle/311016/13470]  
专题生态环境研究中心_中国科学院环境生物技术重点实验室
推荐引用方式
GB/T 7714
高永鑫. 酰苯胺类手性农药在黄粉虫体内的手性转化和选择性富集代谢[D]. 北京. 中国科学院研究生院. 2014.
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