（环境科学专业论文）手性有机磷农药的稳定性及立体选择性生物行为研究.pdf

c h i r a l p a ka d 柱对含碳、磷两个不对称中心的o p s 的手性拆分具有普遍的适用 性。多糖类手性固定相对蔬果磷的手性识别能力很强，c h i r a l p a k a d 、c h i r a l c e lo d 和c h i r a l c e lo j 三根手性柱均能有效分离蔬果磷的两个对映体，其中c h i r a l p a ka d 的分离效果最好，分离度为4 1 4 。由上，本文采用c h i r a l p a ka d 柱制备以上三 种有机磷化合物的单一旋光异构体，得到的旋光异构体标样的纯度均 9 8 ，可 用于生物学实验。 ( 4 ) 在得到旋光纯异构体标样的基础上，我们进一步研究了以上三种有机 磷化合物在不同毒性效应上的立体选择性。 实验首先测定了c p 们f f 旋体，各立体异构体( 峰i 峰4 ) 及等摩尔对映 体混合物( p a i r1 和p a i r 2 ) 的体外乙酰胆碱酯酶( a c h e ) 抑制活性及体内大型 蚤毒性，均发现了明显的立体选择性。其中，异构问对a c h e 的抑制活性大小为 峰4 峰3 峰2 峰l ，差异在1 1 18 1 倍之间，对大型蚤的毒性大小为峰4 峰3 峰2 峰1 ，差异在1 1 2 1 4 2 _ 间。进一步的酶抑制动力学研究表明不同 异构体对a c h e 的空间取向和磷酰化性能均不相同。 对m c p 毒性的立体特异性研究开始关注农药对人体健康的影响，通过在 体外模式下对人成神经细胞瘤s h s y 5 y 的a c h e 和轴突生长的抑制的测定，分别 评价了m c p 对人体的急性和迟发性神经毒性的立体选择性。研究进一步结合 m c p 在药效上的立体选择性探讨外消旋m c p 及其手性富集产品作为农药的可能 性和价值。结果表明，外消旋m c p 稳定、高效、急性毒性低，但有可能引发迟 发性的神经中毒，因此作为农药使用有一定的限制。m c p 各旋光异构体的急性 毒性都很低，无明显差异，但在杀虫活性和迟发性神经毒性上则具有很明显的立 体选择性。峰l 、峰2 、峰3 、峰4 的杀虫活性分别为其外消旋体的3 1 、0 6 、0 5 和 1 o 倍，相应的迟发性神经毒性分别为其外消旋的 1 5w h i c hs u g g e s t sab a s e l i n e r e s o l u t i o n a d d i t i o nt ot h ep r e v i o u ss t u d i e s ，w ef u r t h e rf o u n dt h a tc h i r a l p a ka d c o l u m ns e e m sc o m m o n l ya v a i l a b l et os e p a r a t es t e r e o i s o m e r so f c h i r a l o r g a n o p h o s p h o r u sc o m p o u n d sw i t ht w oc hi r a lc e n t r e so nt h ep h o s p h o r u sa n dc a r b o n a t o m s t h ee n a n t i o m e r so f s a l i t h i o nw e r et h e ns u c c e s s f u l l yi s o l a t e do i lt h ec h i r a l p a k a d ，c h i r a l c e lo da n dc h i r a l c e lo jc o l u m n s ，a m o n gw h i c ht h ec h i r a l p a ka dc o l u m n a l s oo f f e r e dt h eh i g h e s tr 5 t h e r e f o r e ，i no u rs t u d yw ec h o s et h ec h i r a l p a ka d c o l u m nt op r e p a r et h ei n d i v i d u a lo p t i c a li s o m e r so f t h ea b o v et h r e eo r g a n o p h o s p h o r u s c o m p o u n d s t h ep u r i t yw a st h e nc a l c u l a t e dt ob em o r et h a n9 8 f o r a l li s o m e r s p r e p a r e df o rt o x i c i t ya s s a y s ( 4 ) b a s e do nt h es u c c e s s f u lp r e p a r a t i o no ft h ci n d i v i d u a lo p t i c a li s o m e r s ，t h e s t e r e o s e l e c t i v i t i e si nv a r i o u sb i o l o g i c a la c t i v i t i e so f c p ，m c p ，a n ds a l i t h i o nw e r e s t u d i e d t h ei n h i b i t i o no na c e t y l c h o l i n e s t e r a s e s ( a c h e ，i nv i t r o ) a n dt h ea c u t e a q u a t i ct o x i c i t yt od a p h n i am a g n a ( i nv i v o ) t e s t e dw i t ho p t i c a l l yp u r ei s o m e r so f c p s h o w e di t ss t e r e o s e l e c t i v i t y t h ei n h i b i t o r yp o t e n t i a l st o w a r da c h ed e c r e a s e di nt h e o r d e ro f p k4 p k3 p k2 p ki i nc o m p a r i s o n t h ea c u t et o x i c i t yt od m a g n aw a s i nt h eo r d e ro f p k3 p k 2 p ki p k4 t h es t e r e o s e l e c t i v i t yw a sf o u n dt ob e i s o m e r d e p e n d e n t ，w i t h1 1 18 1 - f o l dd i f f e r e n c e s ( i nv i t r o ) a n d1 卜21 4 一f o l d d i f f e r e n c e s ( i nv i v o ) a m o n gt h es t e r e o i s o m e r s t h ee n z y m ei n h i b i t i o nd y n a m i ca s s a y s f u r t h e ri n d i c a t e dt h a tb o t ht h es p a t i a lo r i e n t a t i o n sa n dp h o s p h o r y l a t i o np r o p e r t i e so f d i f f e r e n ts t e r e o i s o m e r st o w a r d sa c h ew e r ed i f f e r e n t s t u d i e so fs t e r e o s e l e c t i v et o x i c i t i e so fm c pb e c a m ef o c u so nh u m a nh e a l t h t h ea c u t ec h o l i n e r g i cc r i s i sa n do r g a n o p h o s p h a t e - i n d u c e dd e l a y e dn e u r o p a t h y ( o p i d n ) o fr a c e m i cm c p a n di t sf o u rs t e r e o i s o m e r st oh u m a n sw e r ee v a l u a t e db yt h e i n h i b i t o r yp o t e n t i a l st oa c e t y l c h o l i n e s t e r a s e ( a c h e ) a n da x o n l i k eo u t g r o w t hi n s h s y 5 y h u m a nn e u r o b l a s t o m ac e l l s ，r e s p e c t i v e l y ，t h e i ri n s e c t i c i d a la c t i v i t i e sw e r e a d d i t i o n a l l ym e a s u r e di no r d e rt oe v a l u a t et h ep o s s i b i l i t ya n dw o r t ho fr a c e m i cm c p o ri t ss i n g l e o re n r i c h e d - e n a n t i o m e rp r o d u c t st ob ean e wp e s t i c i d e t h er e s u l t s s h o w e dt h a tr a c e mi cm c pw a ss t a b l e ，h i g ha c t i v ea g a i n s ti n s e c t sa n dl o wa c u t et o x i c t o w a r d sh u m a n s h o w e v e r ，t h eh i g ht h r e a tt oo p i d nm a k e si t sp e s t i c i d a lu s ed o u b t f u l t h ea c u t et o x i c i t i e so f t h ef o u rs t e r e o i s o m e r st oh u m a n sw e r ea l i l o wa n du n s e l e c t i v e h o w e v e r ，t h e i ri n s e c t i c i d a la c t i v i t i e sa n dd e l a y e dn e u r o t o x i c i t i e sw e r ee x t r e m e l y d i f f e r e n t h e r e i n t o ，t h er e l a t i v ei n s e c t i c i d a la c t i v i t i e sb e t w e e nt h er a c e m a t ea n dt h e s t e r e o i s o m e r sw e r e3 i 一，0 6 一，0 5 一，a n di o f o l df o rp k l ，p k 2 ，p k3 ，a n dp k4 ， r e s p e c t i v e l y w h i l et h ec o r r e s p o n d i n gr a t i o si nt h ed e l a y e dn e u r o t o x i c i t i e sw e r e 磷酸( p o ) 酯的， 硫( 醇) 赶( p s ) 型的 磷酸( p c ) 酯的有机磷酸酯类农药。有的有机磷农药， 含有硫醚键( s ) 的化合物内吸磷( m e r c a p t o p h o s ) 、甲拌磷( p h o r a t e ) 等，经 化学或生物酶的作用，氧化生成亚枫或砜型化合物后，其水解速度减慢，稳定性 能提高。有机磷农药除了易水解，还会自发的发生其他反应，如烷基交换。h e a t h 和v a n d e k a r ( 19 5 7 ) 发现两个甲基内吸磷分子在贮存过程中可以发生分子间的甲 基化转移，形成甲基锍衍生物。 2 h h 。3 c o 8 0 ：h 。s c ：h 。h s ! 三 3 0 s c ：h 。s c 。h 。+ 原药的纯度对其自身或制剂的贮存稳定性的影响也很大。原药中有效成分含 量越高，杂质越少，无溶剂或溶剂含量少，稳定性就越高。如蔬果磷( s a l i t h i o n ) ( 毕富春，l9 9 6 ) ，纯度为9 9 的蔬果磷原药在室温下贮存1 年，活性成分的分 解率为l5 左右。当原药中蔬果磷的含量下降至9 0 左右时，分解率上升至6 0 。而当蔬果磷含量降到3 5 左右时，分解率进一步提高，甚至超过9 0 。杂质 引起农药的不稳定性很可能是因为部分杂质可以与活性成分发生反应或是可以 催化活性成分与其他物质之间的反应。比如，有效成分含量为9 1 5 5 的敌敌畏 原油在5 0 。c 放置7 天后，敌敌艮含量仍剩8 9 0 6 ；往含量为9 i 5 5 的敌敌畏中加 5 h 2 3 c h+ s i c 4 h 2 cs 一0 i p 0 o c c 3 3 h h 浙江大学博十学位论文第一章绪论 入o 1 水，同样于5 0 c 放置7 天后，测得的敌敌畏含量仅为5 6 0 3 ( 肖和平， 1 9 9 8 ) 。可见水份可以促进敌敌畏的分解。v e r s c h o y l e 等人( 1 9 8 2 ) 则发现，马 拉硫磷工业品中所含的二甲基硫代磷酸酯钾盐可以与马拉硫磷反应生成甲基化 产物三甲基硫代磷酸酯，同时这些化合物将加快马拉硫磷的异构化反应，使 其转化为异马拉硫磷( i s o m a l a t h i o n ) 。 1 3 1 2 湿度和温度对稳定性的影响 环境湿度对有机磷农药稳定性的影响自然是归因于水分对有机磷的分解，而 温度的升高可以促进有机磷农药在贮存过程中的多种反应。其中一个最为有名的 例子是马拉硫磷。m i l e s 等人( 1 9 7 9 ) 的研究发现，在热带地区贮存的马拉硫磷 可湿性粉剂中异马拉硫磷( 马拉硫磷的s 甲基异构体) 的含量会增高( 从0 3 到3 3 ) ，同时马拉硫磷可湿性粉剂对大鼠的口服急性毒性增加5 倍。有机磷的 水解速度与温度正相关。敌敌畏在酸性介质的水溶液中，在2 0 。c 的半衰期为6 1 5 天，温度提高到7 0 。c 时，半衰期缩短至1 1 4 4 时( 张培荣，1 9 9 5 ) 。温度的升高还 会加速有机磷的“自催化分解”。根据日本前田尚良等对杀螟松、乐果及蔬果磷 的研究，这些有机磷农药在加热贮藏过程中首先发生异构化反应，由硫酮( 逐) 式变成硫赶( 醇) 式异构体；而硫赶式异构体更不稳定，进一步分解成为聚磷酸， 同时放出烷基硫化物，如二甲基硫醚气体；二甲基硫醚等硫化物是硫逐磷酸酯向 硫赶异构化的催化剂，从而加速了有机磷农药的分解( 图1 5 ) ( 程正魁，l9 8 5 ) 。 图i 。5 杀螟松的自催化分解。 f i g i 一5a u t o c a t a l y t i cd e c o m p o s i t i o no ff e n i t r o t h i o n 、_、 浙江人学博士学位论文第章绪论 1 3 i 3 酸碱度对稳定性的影响 在有机磷农药中，由于磷原子和硫原子之间的电负性，磷原子带有弱的正电 荷而形成分子中亲电子中心，吸引溶液中的羟基使电子重新分配而导致分解。所 以，如上所述，有机磷农药一般在酸性介质中稳定，水解速度较慢，但在碱性介 质中不稳定。乐果原油在p h 为2 时，半衰期为2 1 3 4 , 时，当值升高到9 时，半衰期 只需0 8 4 , 时。有的有机磷农药在酸性及中性条件下，其水解反应是不能进行到 底的。水解达到一定的程度后，化学反应处于平衡状态，不再继续水解。以沙市 农药厂甲基对硫磷乳油储存期试验为例：储存前含量5 0 3 ，酸度为0 0 4 ，水 份为o 3 0 ，游离酸2 6 7 。以5 0o c 恒温下储存一周计算，甲基对硫磷乳油储存 一周有效成份分解率为1 1 7 ，两周为6 9 3 ，三周后分解率基本未变。这说明 有些农药以多年存放后仍有有效性。但如在碱液中其水解反应将进行到底。还有 的有机磷酸碱均不稳定，必须选择适当的p h 值。如15 三唑磷( t r i a z o p h o s ) 微 乳剂在p h 为3 2 3 和7 2 6 时，5 4 士i 热贮i4 天分解率分别为12 0 5 和i6 4 4 ，但 当p h 为5 0 6 时，相同条件下的降解率仅为o 2 2 ( 魏方林，2 0 0 4 ) 。 1 3 1 4 稀释剂和溶剂的影响 一般说来，用于农药固体制剂可溶性粉剂、粒剂、片剂等的稀释剂载体为天 然矿物的混合物。由上所述，有机磷农药易受“碱”的进攻。从近代结构理论来 说，所谓“碱”即给电子基团，因而，固体载体表面碱性大小的总碱度是引起有 机磷固体制剂有效成分分解的主要原因，特别是甲基对硫磷，马拉硫磷，敌百虫 等在碱性介质中易分解的品种。载体的表面酸度大小也是影响有机磷农药稳定性 的因素，部分有机磷农药在酸性介质中形成不稳定的s 甲基异构物，它比原体更 易降解。如马拉硫磷，m i l e s 等人( 1 9 7 9 ) 发现马拉硫磷水分散性粉剂中异马拉 硫磷的生成速度由制剂内所加载体的类型决定，这可能与不同载体酸性不同有 关。载体表面负电荷点是给电子基团，因此，反映载体表面负电荷点多少的阳离 子交换容量在促使有机磷分解中起作用。此外，载体的结构、化学组成、吸水性、 吸附力和粒子大小等与稳定性也有关。液剂的稀释剂，也因溶剂种类不同而导致 药剂的稳定性各异。如甲基托布津( t h i o p h a n a t e m e t h y l ) 的水悬浮液是稳定的， 而醋酸乙基溶液很不稳定。另外，有机磷制剂中为了增加活性成分或其他不溶性 浙江大学博十学位论文第。章绪论 物质的溶解度，往往会加入一些极性的有机溶剂作为助溶剂，如醇。因为r 0 6 + h 墨 与h o 叶h 蟊一样，所以可以作为亲核试剂催化有机磷的水解或直接替代有机磷的 氨基或酯基。c a s i d a 和s a n d e r s o n ( 1 9 6 1 ；1 9 6 3 ) 的研究发现，将乐果溶于2 甲氧 基乙醇或异丙醇并加热贮存一段时间后，乐果的含量有不同程度下降，乐果分子 中的o 甲基和n 甲基已被2 一甲氧基乙氧基或2 一氧基异丙基替代。敌敌畏原药中加 入0 1 的甲醇，5 0 。c 放置7 天后，约有一半的敌敌畏与甲醇反应生成三甲基磷酸 酯及二甲基磷酸( 肖和平，19 9 8 ) 。毕富春等人( 1 9 9 6 ) 在蔬果磷乳油中加入醇 类易帮助溶解，热储后发现，助溶剂会使低含量蔬果磷配备的乳油的有效成分分 解率明显增大，加或不加醇类助溶剂蔬果磷的分解率分别为7 2 6 1 和4 5 4 3 。 1 3 2 提高有机磷农药贮存稳定性的一般方法 提高o p s 贮存稳定性一般采取三种途径：化学结构的改性( 改性为新性能 化合物，或为改性生成较为稳定的分子化合物，但活性基本不变) ；提高原药 纯度，减少副产物和杂质的含量。物理或物理化学方法，如添加稳定剂或加工 成缓释剂等。其中前2 种方法均有一定的限制性，第3 种方法应用最广泛最现实而 又简洁。 农药稳定剂有两个方面的功能，一是保持和增强产品物理和物理化学性能， 二是防止和缓解有效成分的分解。目前所使用的o p s 稳定剂主要有有机酯、醇、 酸、醚类，磺酸盐和硫酸盐类，铁盐类、脲类、表面活性剂等等( 吴婉娥，l9 9 7 ) 。 不同的稳定性起效的机理完全不同。如铁盐类，很可能是因为与农药有效成分结 合后形成了不溶或难溶于水的盐( 小池好智，l9 8 4 ) 。有机酸类的主要作用是中 和制剂中的“碱”性，同时也能与影响有效成分分解的金属反应或与它们形成螯 合物，减小金属离子对p s c 键的催化水解作用( 孟春和，1 9 8 1 ) 。醇类可以被 氧化而减少环境对有机磷原药的氧化作用。表面活性剂可以隔断有效成分和载体 或其他物质的接触，不仅可达到很好的稳定效果，并且能增加制剂的湿润、粘着、 浸透，分散等作用，而使制剂能充分发挥药效。 上个世纪7 0 年代以来国内外研究出的农药缓释技术，将一定数量农药贮存于 加工制剂即农药缓释剂中，以加强光敏、氧敏、易热解、易挥发的农药的稳定性。 这样，不稳定、易分解、残效短的农药就有了实用价值。农药缓释剂有不少种类， 浙江人学博十学位论文第。章绪论 如微胶囊剂、分子胶囊剂( 即环糊精包结物) 、塑料( 橡胶) 结合剂和化学性缓 释剂等等。此技术也可用于不稳定有机磷农药的稳定化，并已有不少商业化产品， 如对硫磷、甲基对硫磷、地虫磷( f o n o f o s ) 等的微胶囊剂，毒死蜱( c h l o r p y r i f o s ) 、 双硫磷( t e m e p h o s ) 、残杀畏( p r o p o x u r ) 、敌敌畏等的塑料缓释剂。在我国， 对硫磷、甲基对硫磷、辛硫磷( p h o x i m ) 等微胶囊剂已在试产、投产；塑料结合 剂、环糊精包结物、杀虫涂料也在开发过程中( 王振君，l9 8 5 ) 。 1 4 环糊精在农药稳定性中的应用 1 4 1 环糊精的结构和性质 环糊精( c y c l o d e x t r i n s ，c d s ) 也称环聚葡萄糖，自18 9 1 年v i l l i e r s 发现至今， 研究已逾百年( 童林荟，2 0 0 l ao 环糊精由淀粉通过环糊精葡萄糖基转移酶( c g t ) 降解而成，是一种水溶性、非还原性不易被酸水解的白色结晶或无定型粉末， 无毒，可食用并具有多孔性。最常见的环糊精为c d ， 3 - c d 和y c d ，分别由6 、 7 、8 个葡萄糖单元，彼此间通过0 【1 ，4 一糖苷键连接形成一个呈锥形的圆环( 图1 6 o 其中又以p c d 产量最高，应用最广泛。环糊精的空腔内侧由两圈氢原子( h 3 和 h 5 ) 及一圈糖苷键的氧原子处于c h 键的屏蔽之下，所以环糊精空腔是疏水的； 而环糊精分子的外侧边框c 2 和c 3 原子上的仲羟基都位于这锥形环较大的开口 端，c 6 上的伯羟基则处在这锥形较小的开口端，因而这环状分子的外侧边框由 于羟基的聚集而呈亲水性，即环糊精具有一个环外亲水，环内疏水且有一定尺寸 的立体手性空腔，可以和许多客体( 或称为底物) 分子包结形成包合物。环糊精与 弱极性有机物或官能团形成主一客体包合物( c o n n o r s ，1 9 9 7 ) ，可以起到保护、稳 定、增溶客体分子和选择定向分子等作用( h e d g e s ，1 9 9 8 ；l o f l s s o n ，1 9 9 6 ) 。 随着环糊精研究的不断深入，其应用领域扩展到环境、医药、卫生、食品，化妆 品、卫生用品、化学分离、材料的改性等多个方面都。近二十年，环糊精在农业 领域的应用也引起广泛关注( s z e j t l i ，1 9 8 5 ) 。利用环糊精的包合性能，将农药 分子用环糊精包合起来形成的环糊精一农药包合物，可改变农药分子的理化性质， 如提高农药的溶解度和生物利用度降低农药毒性、对农药降解和控制释放的催化 作用，增加农药光、热等稳定性及减少农药不良气体的排放等等( 张慧容，2 0 0 8 ； 童林荟，2 0 0 lb ) 。 浙江人学博士学位论文第一章绪论 平面结构立体结构 图l 一63 - 环糊精分子结构。 f i g i 6c o n f i g u r a t i o no f1 3 - c y c l o d e x t r i n i 4 2 环糊精包合物的制备方法 环糊精包合物的制备方法比较简单，但没有一个通用的方法适用于所有的包 合客体，根据客体分子的溶解性差异可以采取不同的方法制备包合物( s z e j t l i ， 1 9 8 8 ；续浩，2 0 0 l ；吴霖，2 0 0 3 ) 。 1 4 2 1 共沉淀法 共沉淀法即搅拌或振荡c d s 溶液与客体分子或其溶液的混合物来制备包合 物。c d s 的溶液是凉的、热的、中性的、碱性的、酸性的，根据客体分子的性质 而定。将计算好配比的主客体加到一起，在升高温度( 6 0 8 0 。c ) 下强烈搅拌， 使主客体均达到饱和。然后将溶液冷却至室温并搅拌8 一1 6 小时后，放入冰箱( 3 5 ) 存放一夜。因c d s 包合物在冷却过程中会从均相溶液中结晶析出，用沉降 法或用烧结玻璃漏斗过滤，收集包结物品体。晶状产物可以在空气中自然干燥或 冷冻干燥或喷雾干燥至恒重。 1 4 2 2 逐步滴加法 此法与上述方法类似。将计算好配比的客体分子单独溶解于适当的溶剂中， 逐步滴加到不断搅拌的均匀i 约c d s 溶液中。由于在滴加客体物质的过程中，可能 会引起客体物质的细小沉淀，需要更长时间和更剧烈的搅拌，至少搅拌1 6 2 4 小时。 浙江大学博士学位论文第章绪论 1 4 2 3 浆状法 此方法中c d s 和客体均不需要溶解，仅在一定温度下通过剧烈搅拌，将它们 悬浮于少量水中。使用超声波，可促进固相的分散。把客体物质加入到搅拌好的 c d s 悬浮液( 2 0 。c ，c d ：h 2 0 为l ：2 搅拌而成) 。反应混合物在轻油中搅拌4 8 小时r ，在重油中搅拌几天( 2 4 7 2 j j , 时) 。 1 4 2 4 固相共研磨法 即将结晶c d s 与液态客体或结晶状客体机械混合，在一般湿度( 相对湿度 6 0 一7 5 ) 条件下强力研磨，低温干燥后用适当溶剂洗净，在干燥得包合物。采 用这种固相包合技术，初始c d s 的含湿量起重要作用。固相法对于那些水溶性大 的包合物的制备更为有利。 1 4 2 5 超声法 将药物加入c d s 饱和水溶液中用超声波破碎仪或超声波清洗机、选择合适的 超声强度和时间，将析出的沉淀如上述方法处理即得。此法简便、快捷。 1 4 2 6 其他方法 渗透法是一种新的制备不稳定客体的c d s 包合物的方法，如直接从粉碎的蛇 麻草植物中提取蛇麻子酸，可以增加提取物的稳定性。另一种具有实用价值的方 法叫做“球聚作用”法，能提供高分散自由流动粒子状包合物，对于那些不稳定成 分的萃取更为有效。还有一个值得推荐的方法是气液界面法，将装有适宜浓度 的1 3 、p 或1 ，c d 水溶液的容器置于挥发性客体的气氛中，在液面的c d s 结合气相 中的客体形成有一定溶解度的包合物，在达到饱和浓度时形成结晶、过滤，便可 得到较纯f f j c d s 包合物。制备c d s 包合物的方法还有喷雾干燥、真空蒸发和冷冻 干燥等。 1 4 3 环糊精农药包合的形成条件和稳定因素 包合过程是一种物理过程，是一种分子被包嵌于另一种分子的孔穴结构中。 环糊精可包合的客体范围很广，可以是水、无机离子、卤素、有机分子，生物小 浙江大学博士学位论义第一章绍论 分子、配合物甚至惰性气体。农药分子基本上是以有机分子为主，其分子大小适 于环糊精穴洞尺寸，极性小于水，则有可能代替水分子进入环糊精空腔形成包合 物( c o n n o r s ，1 9 9 7 ) 。因此，环糊精农药包合物可定义为一个或几个具有适当 大小和形状的农药分子( 客体) 通过非共价作用，部分或全部嵌入结构上具有空 腔的环糊精分子( 主体) 腔内而形成的化合物。环糊精包合物的形成受内在因素 和外在条件的影响。归纳起来主要有以下几个方面： 主客体之间有疏水亲酯相互作用。因为环糊精的空腔是疏水性的，客体分 子的非极性越高，越易被包结。当疏水亲酯的客体分子进入环糊精空腔后，它的 疏水基团与环糊精空腔有最大接触，而其亲水基团远离空腔。 主客体符合空间匹配效应。环糊精空腔孔径大小不同，它们分别可选择容 纳体积大小与其空腔匹配的客体分子，这样形成的包结物比较稳定。客体分子尺 寸太大，不易进入空腔中，而尺寸太小又不稳定。同时，客体分子的几何形状， 即立体效应对环糊精包合作用也有很大影响。 主客体间作用力。在包合反应中，环糊精与客体结合的驱动力主要有范德 华力、氢键、疏水性作用力以及形成包合物时环糊精大环张力的释放、溶剂表面 张力变化等，几种力往往是同时起作用的，每一种力的相对大小和客体分子的形 状、体积、极性、取代基的数目与性质，以及反应介质和温度等因素有关。一般 来说，主、客体分子间作用力越强，越易形成包合物。 介质。原则上，包合物的形成不需要溶剂。对于易升华的物质，可将粉状 晶体的环糊精与粉状客体混合，制备环糊精包合物；对于不易升华的物质，这种 方法形成包合物很难，需要水或其它溶剂。在水溶液中的包合是一个快速过程， 但对易溶于水的物质，其包合物通常稳定性差，为了达到水溶液中的平衡，需要 较长的反应时间或将客体分子溶于有机溶剂中。溶剂的选择是有限制的，除了有 些小分子的强亲水性溶剂外，大多数溶剂不能用，因为它们也能与环糊精形成比 较稳定的包合物，与客体分子形成竞争或三组分体系。通常有机溶剂的存在是不 利的，但有时又是不可少的。溶解度非常低的客体分子，在无溶剂时不能与环糊 精形成有效的包合物。 同时，包合物的形成还受反应时间、温度、搅拌( 或超声波震荡) 时间以及 反应物浓度等外在条件的影响。一般延长反应时间及搅拌时问，提高环糊精浓度 1 9 浙江大学博士学位论文第一。章绪论 有利于包合物的形成。包合反应一般可在室温下进行，有的反应需在一定的温度 下进行，但从机理上分析，升高温度会引起分子运动的加剧，对形成的包合物起 破坏作用，不利于包合反应的进行，使稳定常数降低。 1 4 4 环糊精对农药的稳定效应 化学农药主要以有机化合物为主，其中不少化合物在水溶液或空气中不稳 定，如在水溶液中易发生水解、电离，见光分解或与共存物质发生反应，或在加 工过程中分解，挥发等。环糊精农药以范德华力及氢键等作用力缔合后，由于 农药的反应活性部位被包嵌在环糊精疏水空腔内，相对减少了与外界环境( 光、 热、湿度等) 的接触机会，从而使农药保持稳定，提高农药的利用率( h e d g e s ， 1 9 9 8 ；l o f t s s o n ，1 9 9 6 ) 。 除虫菊酯类农药的药效很高而毒性较低，是全世界使用量最大的农药之一。 但是，除虫菊酯的光、热稳定性差，长期保存很困难。研究发现，1 ，环糊精可提 高天然除虫菊酯的光稳定性( b i e b e i ，2 0 0 0 ) 。o r g o v f i n y i ( 2 0 0 5 ) 采用共沉淀、 共悬浮、研磨、溶液熔化( m e l t i n gi ns o l u t i o n ) 的方法制备了多种环糊精与氯氰 菊酯( c y p e r m e t h r i n ) 的固体包合物。通过紫外分光和热分析等技术对氯氰菊酯一 环糊精包合物进行表征，得到溶液熔化法的包络效率最高。不同环糊精对氯氰菊 酯的水溶性和光稳定性均有影响，其中甲基化d 一环糊精可抑制氯氰菊酯的光降 解作用。氯菊酯( p e r m e t h r i n ) 对光敏感，需要防止光降解以保证生物活性。其 光稳定性试验( 3 0 。c ，2 5 4n m 紫外光照射6 0d ) 结果表明， 3 - c d p e r m e t h r i n 包合 物( 有效成分l4 ) 中有效含量的损失大约0 5 ，而同样条件下，二者物理混 合物( 有效成分11 5 ) 的有效成分则仅剩余3 5 ( s z e n t e ，l9 9 6 ) 。与之类似， 丙烯菊酯( a l l e t h r i n ) 的 3 - c d 包合物( 有效成分含量1 0 9 ) 在2 5 4n mu v 光照射 2 ld ，其中的有效成分仍含6 8 7 ，但二者的机械混合物( 有效成分7 8 ) 在相 同条件照射1 4d 后有效成分就已经不存在了。m i f u n e 通过合成环糊精包合物使一 系列除虫菊酯的光、热稳定性提高，同时其杀虫活性亦有改善( m i f u n e ，l9 7 4 ) 。 田问试验也显示环糊精的包合作用很大程度上降低了除虫菊酯的氧化和光降解 速度，而杀虫活性则不会下降( k a t s u d a ，1 9 7 6 ；y a m a m o t o ，1 9 7 6 ；2 0 0 6 ) 。 环糊精也可对有机磷农药的稳定性产生影响。部分有机磷即使在室温下也具 浙江大学博十学位论文第一一章绪论 有一定的蒸气压。分子包结可以减少，甚至消除这些挥发性有效成分在固体及干 燥状态下的蒸气压。杀虫剂敌敌畏在室温下是一种中等挥发性液体。用固体研磨 的方法制得了敌敌畏与环糊精的固体包合物，没有气体效应，易燃性也远低于未 包合的敌敌畏( k i t a ，1 9 7 6 ) 。s z e j t l i ( 1 9 8 2 ) 的研究发现，在2 5 。c ，2m m h g 下 放置2 4h 的敌敌畏环糊精的包结物中，敌敌畏的残留量仍有9 0 ，而相应的纤维 素混合物则只余下不到2 0 。又如杀虫剂马拉硫磷和杀螟松的固体c d s 包结物在 2 5 ，正常湿度下封闭在聚乙烯袋内存放9 年，杀虫剂的有效成分分别可保留8 0 和6 0 以上，而物理混合的杀虫剂则分别剩余10 和0 ( a t w o o d ，19 9 6 ) 。 k a m i y a 等人( 19 9 4 ；19 9 5 a ) 探讨了水溶液以及水甲醇溶液中，c 【、d 、1 ，一、六 2 , 6 甲基一o 【一、七2 ，6 二甲基p 环糊精对对硫磷和对氧磷( p a r a o x o n ) 光降解速度 的影响。结果发现，对于不同的有机磷农药，环糊精对它们影响正好相反。比如， 在水甲醇( 体积比= 8 0 2 0 ) 体系中，对硫磷p 环糊精的光解速率仅为游离对硫 磷的四分之一。但是，对氧磷与环糊精形成包合物后，其光解速率为游离对氧磷 的1 3 l 倍。这一现象可能与“主体”环糊精空腔催化位点与两种“客体”农药反 应中心的接近程度不一有关。此外，他们还发现将p 环糊精及其甲基化衍生物能 抑制对硫磷、甲基对硫磷、杀螟松等三种有机磷农药在胡敏酸催化下的水解过程， 多元线型回归和圆二色谱分析表明环糊精甲基化程度对农药的包络深度、方向有 很大影响( k a m i y a ，1 9 9 5 b ) 。l o u k a s 等( 1 9 9 4 ) 研究了新有机磷农药d c p e 和1 ， 环糊精包合物的性质，在溶液状态下，1 ，环糊精可与农药形成l ：1 型的包合物， 包合物用n m r 进行表征。进一步研究发现，在7 x 1 0 之m md c p e 中加入2 8m m 环 糊精，农药的水解速率常数从3 0 3x10 3r a i n 1 降至l3 1 x10 。m i n 。s z e n t e 等 ( 1 9 9 8 ) 的研究发现依靠包合作用环糊精能够改善半挥发性的有机磷农药( 如马 拉硫磷、敌敌畏、杀螟松、毒死蜱、硫丙磷( s u l p r o f o s ) 等) 的性质( 如提高可 流动性，可湿性、热稳定性) ，热力学数据分析表明，即使在高温下，干燥的包 合态剂型也能够有效地保留农药的有效成分。而且农药被包合后，其难闻气味也 有所减轻，增加了农药的室内可使用性。 一些生物农药也可通过c d s 的包合作用增加稳定性。如苏云金芽抱杆菌 ( b a c i l l u s t hu r i n g i e n y 西，b t ) 。紫外光可使b t 失活，试验表明随着光照时间的延 长，b t 对棉铃虫的活性逐渐降低。光照2 、2 4 、4 8 小时，b t 活性分别降 f f 2 7 8 ， 浙江大学博士学位论文第一章绪论 5 5 5 6 、6 9 4 4 。b t 可与 3 - c d 形成包合物。在最佳包结比( b ： 3 - c d = 0 5 ：2 ) 下，环糊精的包合对b t 原粉的光保护效果为7 5 6 3 ( 雷玲，2 0 0 4 ) 。另外，鱼 藤酮与6 环糊精以及h p 1 3 环糊精形成包合物后，其4 8 小时的光照降解率分别为 鱼藤酮原药降解率的4 0 3 和4 5 5 ( 胡林，2 0 0 3 ) 。 2 , 6 二氯苯腈、杀菌剂及植物生长调节剂也可以用环糊精来包结络合，在提 高杀菌剂溶解度的同时还能增强其稳定性，可通过控制杀菌剂的缓慢释放来延长 杀菌剂的作用时间，减少用药量，提高经济效益。 总之，c d s 包合产生的这种化学意义上的稳定性，在各种农药标准化过程中 应用都收到明显的效果。s z e j t l i ( 1 9 9 8 ) 认为环糊精被用于农药制剂，提高农药 的稳定性、改变环境行为等方面是非常合适的，但有关这方面的研究在整个环糊 精的研究中所占的份额还不到1 ，这主要是因为农药行业目前还无法接受价格 过高的环糊精，但随着环糊精生产量的增加和价格的降低，有关环糊精在农药方 面的研究和应用将会逐步增加。 1 5 手性有机磷农药研究进展 1 5 1 立体化学的基本概念 分子中的结构基团在空间三维排列不同的化合物称为立体异构体 ( s t e r e o i s o m e r ) 。立体异构体可分为两大类：在空间上不能重叠，互为镜像关 系的立体异构体称为对映体。这一对化合物就像人的左右手一样( 图1 7 ) ，称 为具有手性，其来源是希腊语c h i r o ( 手) 。分子中若含有n 个手性中心，将产生 2 ”个立体异构体，其中有2 ”1 对对映体。那些不是对映体的立体异构体称为非对 映体( d i a s t e r e o m e r ) 。 图1 7 手性分子的左右手镜面对称。 f i g i 一7 t h em i r r o rs y m m e t r yo f c h i r a lm o l e c u l e 浙江人学博士学位论文第。章绪论 导致化合物有手性的常见因素有( 叶秀林，1 9 9 9 ) ：( 1 ) 分子中存在一个 或多个手性原子，如手性碳、磷、氨、硫等；( 2 ) 分子中存在手性轴环状骨架 的螺烷；( 3 ) 具有手性平面，如环芳类化合物；( 4 ) 拓扑性非对称性，如索烃； ( 5 ) 扭转手征性，如顺反异构体中单键和双键的扭力产生的异构体；( 6 ) 具有 螺旋性，如蛋白质、多糖、核酸等的螺旋型。对映体间除了使偏振光发生偏转的 角度相同而方向相反之外，熔点、沸点、偶极矩、折光率、相对密度、溶解度和 光谱等其他理化性质均相同。因此，对映体又称为光学异构体，非对映体则包括 了几何异构体和具有光学活性但没有镜像关系的立体异构体。 手性化合物的表示方法一般有三种： 左旋体和右旋体。能使偏振光的偏振面按顺时针方向旋转的对映体称为右 旋体( d e x t r o t a t o r y ) ，用的小或( + ) 表示，反之，称为左旋体( i e v o r o t a t o r y ) ， 用，或( 一) 表示。外消旋体由等量的左旋体和右旋体构成，因此没有旋光性，用 ( d 1 ) 或( 士) 表示。这种表示方法，直观地反映了对映体之间光学活性的差别，但 是不能提供药物分子三维空间排列或绝对构型的信息。 d 和系统。r o s a n o f f 以标准参照物的化学相关性来确定药物的立体化学构 型。标准参照物有糖类如d 甘油醛，氨基酸如丝氨酸等( 图1 8 ) 。在r r x h c 型光学异构体中，按国际命名原则，取其主链竖向排列，以氧化态较高或l 号碳 原子置于上方，照f i s h e r 投影法投影，在所得投影式中x 在右边者称为d 型，如 d ( _ ) 乳酸，x 在左边者称为型，如( + ) 一乳酸。d l 构型表示法目前多限于糖和 氨基酸的立体化学命名。 c h 2 0 h d 一甘油醛 c h 2 0 h 上一甘油醛 图i 8d 甘油醛和甘油醛 f i g 1 8d - a n dl - - g l y c e r a l d e h y d e 。“矿、“，”的表示由于易与糖类化合物化学及蛋白质化学中的“d ” 混，国际纯粹与应用化学联合会于1 9 7 9 年建议取消“矿及“，”。 相 ，2 ， l ， 浙江大学博士学位论文第一章绪论 r 和s 系统。19 6 6 年c a h n ，l n g o l d 和p r e l o g 提出：将手性中心连接的取代基 按原子序数依次排列，a b c d ，把d 作为手性碳原子四面体的顶端，a ，b ，c 为四面体底部的3 个角，从四面体底部向顶端方向看，若保持从大到小基团按顺 时针方向排列者，称为r 型( r e c t u s ，右) ，若为逆时针方向排列者则称为s 型 ( s i n i s t e r ，左) ( 图1 - 9 ) 。d 一甘油醛按照c a h n ，l n g o l d 和p r e l o g 的命名法应为尺一( + ) 一