Oxidative processes - insights in reaction mechanisms gained by high resolution and isotope ratio mass spectrometry

Willach, Sarah GND

Oxidative and phototransformation processes frequently contribute to micropollutant degradation in natural or engineered systems. For the remediation of contaminated sites or water treatment processes these may be, e.g., ozone (O3), hydroxyl radicals (•OH), chlorine dioxide (ClO2) or UV/vis light if the micropollutants contain one or more chromophores. However, the corresponding reaction mechanisms which are important to assess the formation of undesired transformation products (TPs) are mostly unknown. Currently, TP studies are regularly performed with the analysis by high-resolution mass spectrometry (HRMS) which enables the derivation of the TP sum formulas based on the exact masses. However, the reactive site and point of attack, respectively, remain mostly unknown. Here, compound-specific stable isotope analysis (CSIA) may be a useful tool to enlighten and further investigate reactions of micropollutants since degradation processes may reveal specific isotopic fractionation, which are related to the site of primary attack. Therefore, this study investigates the use of CSIA and HRMS as complementary tools to characterize various oxidative and phototransformation processes in order to elucidate the underlying reaction mechanisms. The sulfonamide antibiotic sulfamethoxazole (SMX) is chosen as a model compound in order to systematically investigate the pH dependent transformation caused by the oxidative and phototransformation processes listed above. SMX is a widely detected micropollutant in surface, ground- and wastewaters which may occur as neutral or anionic specie at typical pH values of water treatment or in natural waters. In case of the oxidative processes, O3 in presence and absence of •OH and ClO2, the reaction stoichiometry, product formation and reaction mechanisms were systematically investigated for reactions with SMX. Two moles of ClO2 and approximately three moles of O3 were consumed per mole SMX degraded. As revealed by HRMS, the oxidation of SMX with O3 and ClO2 leads to six major TPs in both cases. Tentatively formulated TP structures from other studies could partly be confirmed by CSIA. However, for one TP, a hydroxylated SMX, by HRMS alone it could not be decided whether hydroxylation occurred at the aromatic ring, as suggested in literature before, or at the anilinic nitrogen. By additional means of CSIA and an analytical standard it was possible to identify sulfamethoxazole hydroxylamine unequivocally as one of the TPs of the reaction of SMX with O3 as well as with ClO2. H abstraction and electron transfer at the anilinic nitrogen are suggested as likely initial reactions of O3 and ClO2, respectively, leading to its formation. The oxidation of anionic SMX with O3 did not show any significant isotopic fractionation whereas the other reactions studied resulted in a significant carbon isotope fractionation (e.g., εC(O3) = −2.2 ± 0.1 ‰ and εC(O3 + •OH) = −1.2 ± 0.1 ‰). For the investigation of the phototransformation reactions of the two relevant SMX species, four different irradiation scenarios were employed, i.e., a low, medium, and high pressure Hg lamp as well as simulated sunlight. The observed phototransformation kinetics were faster for the neutral than for the anionic SMX species (from 3.4 (LP lamp) up to 6.6 (HP lamp) times). Furthermore, four phototransformation products (with m/z 189, 202, 242, and 260) were detected by HRMS that have not yet been described for direct photolysis of SMX. Isotopic fractionation occurred only if UV-B and UV-A wavelengths prevailed in the emitted irradiation and was most pronounced for the neutral species with simulated sunlight (εC = −4.8 ± 0.1 ‰). The phototransformation of SMX with UV-C light did not cause significant isotopic fractionation. Consequently, it was possible to differentiate sunlight and UV-C light induced phototransformation of SMX. Thus, CSIA might be implemented to trace back wastewater point sources or to assess natural attenuation of SMX by sunlight photolysis. In contrast to the wavelength range, pH-dependent speciation of SMX hardly impacted isotopic fractionation. However, regarding phototransformation no further comprehensive insights in the underlying reaction mechanisms could be gained by CSIA. This is attributed inter alia to the presence of sulfur and nitrogen as reactive sites in SMX and the current inability to determine any other but C-isotope values by liquid chromatography isotope-ratio mass spectrometry (LC-IRMS). Consequently, much simpler model compounds without nitrogen or sulfur-containing moieties, i.e. benzene and its methylated and methoxylated analogs, were used in order to further systematically characterize the abiotic oxidative processes using O3, •OH or ClO2 with CSIA. Carbon isotope enrichments factors (εC) were determined for reactions with O3 (εC = −3.6 ‰ to −4.6 ‰) and •OH (εC = < −1 ‰). The differences in isotope fractionation may be used to elucidate the contribution of the reactions with O3 or •OH to the overall transformation. Subsequently, apparent kinetic isotope effects (AKIEs) were derived for the reaction with O3. This was nontrivial due to challenges in assigning reactive positions in the probe compounds for the monodentate attack leading to an O3 adduct. Several options for this step are presented and the outcome is compared to quantum chemical characterizations of O3 adducts. The data show that a general assignment of reactive positions for reactions of O3 with aromatic carbon in ortho, meta or para positions is not feasible and that AKIEs of this reaction should be derived on a compound-by-compound basis. In conclusion, this work has illustrated the potential added value of CSIA to characterize oxidative and phototransformation processes. Simultaneously, it became obvious that the chemistry of allegedly simple reactions is not yet fully understood and that further research is required to enable us to understand reaction mechanisms and isotopic fractionation on a more holistic level.

Oxidative und Phototransformationsprozesse tragen häufig zum Abbau von Mikroverunreinigungen in natürlichen oder technischen Systemen bei. Zur Sanierung kontaminierter Stellen oder in Wasseraufbereitungsverfahren werden beispielsweise Ozon (O3), Hydroxylradikale (•OH), Chlordioxid (ClO2) oder UV/VIS-Licht eingesetzt. Die zugrunde liegenden Reaktionsmechanismen, die für die Beurteilung der Bildung unerwünschter Transformationsprodukte (TPs) wichtig sind, sind jedoch größtenteils ungeklärt. Derzeit werden TP-Untersuchungen oft mit hochauflösender Massenspektrometrie (HRMS) durchgeführt, die die Bestimmung der TP-Summenformeln anhand der exakten Massen ermöglicht. Die reaktive Stelle bzw. der Angriffspunkt im Zielmolekül bleiben hierbei jedoch größtenteils unbekannt. Hier kann die verbindungsspezifische Isotopenanalytik (engl. compound-specific stable isotope analysis, CSIA) ein nützliches Instrument zur Aufklärung und weiteren Untersuchung von Reaktionen von Mikroverunreinigungen sein, da Abbauprozesse zu spezifischen Isotopenfraktionierungen führen können, die Rückschlüsse auf den Ort des Primärangriffs liefern. Daher untersucht diese Studie die Verwendung von CSIA und HRMS als komplementäre Instrumente zur Charakterisierung verschiedener Transformationsprozesse, um die zugrunde liegenden Reaktionsmechanismen aufzuklären. Im ersten Schritt dient das Sulfonamidantibiotikum Sulfamethoxazol (SMX) als Modellverbindung, um die pH-abhängige Umwandlung durch die oben aufgeführten Transformationsprozesse systematisch zu untersuchen. SMX ist ein weit verbreiteter Mikroschadstoff in Oberflächen-, Grund- und Abwässern, der bei typischen pH-Werten der Wasseraufbereitung oder in natürlichen Gewässern als neutrale oder anionische Spezies auftritt. Für die oxidativen Prozesse – O3 in An- und Abwesenheit von •OH sowie ClO2 – mit SMX wurden systematisch die Reaktionsstöchiometrie, Produktbildung und Reaktionsmechanismen untersucht. Pro Mol abgebautem SMX wurden zwei Mol ClO2 und ungefähr drei Mol O3 verbraucht. HRMS Messungen zeigten, dass bei Oxidation von SMX mit O3 und ClO2 jeweils sechs Haupt-TPs gebildet werden. Vorläufig formulierte TP Strukturen aus anderen Studien konnten teilweise durch CSIA bestätigt werden. Für ein TP, ein hydroxyliertes SMX, konnte jedoch durch HRMS allein nicht geklärt werden, ob eine Hydroxylierung am aromatischen Ring, wie in der Literatur zuvor vorgeschlagen, oder am anilinischen Stickstoff vorlag. Mit Hilfe von CSIA und einem analytischen Standard konnte Sulfamethoxazolhydroxylamin eindeutig als eines der TPs der Reaktion von SMX mit O3 sowie mit ClO2 identifiziert werden. Für die Bildung werden die H-Abstraktion und der Elektronentransfer am anilinischen Stickstoff als wahrscheinliche Primärreaktionen von O3 bzw. ClO2 vorgeschlagen. Die Oxidation von anionischem SMX durch O3 zeigte keine signifikante Isotopenfraktionierung, während die anderen untersuchten Reaktionen zu einer signifikanten Kohlenstoffisotopenfraktionierung (εC) führten (z. B. εC (O3) = –2,2 ± 0,1 ‰ und εC (O3 + •OH) = –1,2 ± 0,1 ‰). Zur Untersuchung der Phototransformationsreaktionen der beiden relevanten SMX-Spezies wurden vier verschiedene Bestrahlungsszenarien verwendet: ein Nieder-, Mittel- und Hochdruck-Hg-Strahler sowie simuliertes Sonnenlicht. Die beobachtete Phototransformationskinetik war für die neutrale SMX-Spezies schneller als für die anionische (Faktor 3,4 (LP-Lampe) bis 6,6 (HP-Lampe)). Darüber hinaus wurden vier, für die direkte Photolyse von SMX bisher unbeschriebene, Phototransformationsprodukte (mit m/z 189, 202, 242 und 260) durch HRMS nachgewiesen. Eine Isotopenfraktionierung trat nur auf, wenn bei der emittierten Strahlung UV-B- und UV-A-Wellenlängen überwogen und war für die neutrale Spezies mit simuliertem Sonnenlicht am ausgeprägtesten (εC = –4,8 ± 0,1 ‰). Die Phototransformation von SMX mit UV-C-Licht verursachte keine signifikante Isotopenfraktionierung. Folglich lässt sich unterscheiden, ob Phototransformation von SMX durch Sonnenlicht oder UV-C-Licht induziert wurde. Somit könnte CSIA eingesetzt werden, um Abwasserpunktquellen zurückzuverfolgen oder die natürliche Verringerung von SMX durch Sonnenlichtphotolyse zu bewerten. Im Gegensatz zum Wellenlängenbereich beeinflusste die pH-abhängige Speziation von SMX die Isotopenfraktionierung kaum. In Bezug auf die Phototransformation konnte CSIA jedoch keine weiteren umfassenden Einblicke in die zugrunde liegenden Reaktionsmechanismen liefern. Dies begründet sich unter anderem durch die vorhandenen reaktiven Stellen an Schwefel und Stickstoff in SMX und die derzeitige Einschränkung mit der Flüssigchromatographie-Isotopenverhältnis-Massenspektrometrie nur C-Isotopenwerte bestimmen zu können. Um die abiotischen Oxidationsprozesse O3, •OH oder ClO2 mit CSIA weiter systematisch zu charakterisieren, wurden deshalb viel einfachere, stickstoff- und schwefelfreie Modellverbindungen gewählt: Benzol und seine methylierten und methoxylierten Derivate. εC Werte wurden für Reaktionen mit O3 (εC = –3,6 ‰ bis –4,6 ‰) und •OH (εC = <–1 ‰) bestimmt. Die Unterschiede in der Isotopenfraktionierung können verwendet werden, um den Beitrag der Reaktionen mit O3 oder •OH zum Gesamtabbau aufzuklären. Anschließend wurden abgeleitete kinetische Isotopeneffekte (engl. apparent kinetic isotope effects, AKIEs) für die Reaktion mit O3 abgeleitet. Dies war nicht trivial, da die reaktiven Positionen der Modellverbindung für den einzähnigen Angriff identifiziert werden mussten, an der das O3 Addukt gebildet wird. Es werden verschiedene Varianten für diesen Schritt vorgestellt und die Ergebnisse mit quantenchemischen Rechnungen von O3-Addukten verglichen. Die Daten zeigen, dass eine allgemeine Zuordnung der reaktiven Positionen für Reaktionen von O3 mit aromatischem Kohlenstoff in ortho-, meta- oder para-Positionen nicht möglich ist und dass AKIEs dieser Reaktion verbindungsspezifisch abgeleitet werden sollten. Zusammenfassend hat diese Arbeit den potenziellen Mehrwert von CSIA zur Charakterisierung oxidativer und Phototransformationsprozesse veranschaulicht. Gleichzeitig wurde deutlich, dass selbst vermeintlich einfache Reaktionen mechanistisch noch nicht vollständig verstanden sind und dass weitere Untersuchungen erforderlich sind, um die Reaktionsmechanismen und die Isotopenfraktionierung umfassender zu verstehen.

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Willach, S., 2020. Oxidative processes - insights in reaction mechanisms gained by high resolution and isotope ratio mass spectrometry. https://doi.org/10.17185/duepublico/71987
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