设计更安全的低生态毒性离子液体：基于薄荷醇衍生功能性离子液体的“绿色设计”研究及其在农用化学品开发中的意义

《Journal of Agricultural and Food Chemistry》：Designing Safer Functionalized Ionic Liquids: Monoterpene-Derived Compounds for Greener Agrochemical Development

本文综述了功能性离子液体（FILs）的环境行为与植物毒性研究，系统评估了基于天然单萜（-)-薄荷醇）和线性脂肪醇（1-癸醇）衍生的阳离子与氟化阴离子组成的FILs对土壤中萝卜的毒性效应。研究通过整合水溶性、表面张力、分子体积等实验测量与log KOW、log BCF等计算机模拟描述符，揭示了结构-活性关系（SAR），表明脂溶性和生物累积性与毒性（EC50）相关。研究指出，将“绿色设计”原则引入IL开发，优先考虑更安全、环境影响更小的结构，可为农业化学品的可持续发展提供新策略。

　　

离子液体（ILs）因其可调节的理化性质，在化学、材料科学及工业中应用日益广泛，但其长期环境影响，特别是潜在毒性，仍亟待深入研究。植物毒性评估是离子液体环境相容性评价的关键环节，对保障生态系统健康和农业生产至关重要。功能性离子液体（FILs）作为一类结构可设计的任务特异性ILs，其在环境中的植物毒性行为与其精细的分子结构密切相关。

结构对植物毒性的影响研究综述

研究首先系统回顾了影响离子液体植物毒性的关键结构参数，包括阳离子烷基链长度、阳离子核心结构、阴离子结构以及功能组分。

关于阳离子烷基链长度，研究发现其影响因介质而异。在水培系统中，随着烷基链增长，植物毒性通常增加；但在土壤体系中，具有较短（C3-C4）取代基的ILs由于在土壤溶液中移动性更强、与植物根系接触更充分，反而表现出更高的毒性。这表明在评估环境风险时，暴露基质是一个必须考虑的关键因素。

关于阳离子核心结构，现有研究表明，对于某些物种（如春大麦和萝卜），当阳离子为吡咯烷鎓、哌啶鎓或吡啶鎓时，核心结构的差异并未对植物毒性产生显著影响。

相比之下，阴离子结构对ILs植物毒性的影响则更为显著。例如，在1-丁基-3-甲基咪唑鎓盐体系中，对不同阴离子的毒性排序为：[OTF]^-> [Cl]^-> [BF₄]^-> [Lac]^-> [Ala]^-。含有三氟甲磺酸根等化学稳定性高的阴离子，可能因其抵抗生物和非生物降解的能力而增加生物累积潜力。将天然氨基酸基团引入阴离子则有助于降低毒性。

针对功能组分的研究相对有限。现有研究表明，在烷基侧链中引入极性基团（如羟基、醚键）可降低咪唑鎓阳离子的亲脂性，从而减弱植物毒性。其中，羟基功能化的FILs通常比醚功能化的毒性更低。然而，对于更复杂的、源自生物质的共价连接功能基团（如单萜），其如何影响FILs的植物毒性，尚缺乏深入理解。

基于薄荷醇的功能性离子液体设计与研究

为填补上述研究空白，本研究合成了两个系列新型含氟FILs，并系统评估了其植物毒性。两个系列具有相同的核心设计：在咪唑鎓阳离子上通过甲氧基连接器（-OCH₂-）连接了一个含十个碳原子的庞大功能性元素。其中一个系列包含源自1-癸醇的线性烷氧甲基链，另一个则包含基于天然单萜（1_R,2_S,5_R)-(-)-薄荷醇的环状烷氧甲基取代基。这种线性与环状的结构差异，为探索功能取代基的拓扑结构对植物毒性效应的影响提供了机会。

研究选择了五种含氟阴离子：四氟乙烷磺酸盐[TFES]^-、全氟丁烷磺酸盐[PFBS]^-、三氟甲磺酸盐[OTF]^-、双（三氟甲基磺酰）亚胺盐[TFSI]^-和双（五氟乙基磺酰）亚胺盐[PFSI]^-，通过与两种氯化物前体（[Men-Im-C₁][Cl]和[C₁₀-Im-C₁][Cl]）进行复分解反应，最终合成了七种FILs。

理化性质表征与环境行为预测

对合成的FILs进行了全面的理化性质表征，重点考察了其水溶性、表面张力、亲脂性（log K_OW）和生物累积因子（log BCF）等与环境行为密切相关的参数。研究发现，所有含氟阴离子的FILs在水中溶解度均很低，而前体氯化物和水溶性碱金属盐则完全溶解，这凸显了氟化阴离子在降低水溶性方面的决定性作用。在薄荷醇基系列中，水溶性随着阴离子氟化程度和分子体积的增加而显著降低，顺序为：[OTF]^-≈ [TFES]^-> [TFSI]^-> [PFBS]^-> [PFSI]^-。线性癸基取代的FILs通常比其环状薄荷醇类似物具有更低的溶解度和表面张力，表明其疏水性更强。

计算机模拟预测的log K_OW和log BCF值趋势一致。阴离子结构是决定FILs亲脂性和生物累积潜力的关键因素。例如，含有[PFSI]^-的FILs（如4d）具有最高的预测log K_OW（4.43）和log BCF（3.23），表明其具有很高的生物累积风险。对于相同阴离子，线性癸基取代的FILs比环状薄荷醇取代的类似物具有更高的log K_OW和log BCF值。

土壤植物毒性评估与结构-活性关系

采用土壤生物测定法（以萝卜为模式植物），评估了FILs的植物毒性。通过测定植物鲜重抑制、根长和地上部长度等指标，并计算半数有效浓度（EC₅₀），建立了结构-活性关系。

阴离子效应（研究问题Q1）：在具有相同薄荷醇基阳离子的FILs中，阴离子类型对植物毒性有显著影响。总体而言，磺酰亚胺基FILs（如含有[TFSI]^-和[PFSI]^-的4c和4d）比磺酸盐类似物（如含有[TFES]^-和[PFBS]^-的4a和4b）具有更强的植物毒性。其中，含[TFSI]^-的FIL（4c）EC₅₀最低（74.7 mg·kg^-1土壤干重），毒性最强。这表明更大体积、更高氟化程度且电荷离域更明显的阴离子，通常与更高的疏水性、生物累积性和毒性相关。

阳离子功能化效应（研究问题Q2）：当比较具有相同阴离子（[TFES]^-或[PFBS]^-）但阳离子取代基不同的FILs时，发现含有线性癸基取代的FILs（8a和8b）比含有环状薄荷醇取代的类似物（4a和4b）植物毒性更高。这一结果与线性癸基FILs具有更高的预测log K_OW、log BCF、更大的分子体积、更高的不对称性以及更低的溶解度/水合作用等理化特性相一致。这些性质增强了其在生物膜中的分配和累积能力。

毒性机制探究：氧化应激的作用

为探究毒性机制，研究测定了植物体内的抗氧化响应。结果表明，FILs暴露导致萝卜叶片中过氧化氢（H₂O₂）和丙二醛（MDA，脂质过氧化标志物）含量增加。同时，关键的抗氧化酶，如超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）和过氧化氢酶（CAT）的活性也发生显著变化，这些变化与EC₅₀值呈现相关性。这些生物标志物的变化强烈表明，氧化应激是这些FILs诱导植物毒性的一个重要机制。

结论与展望：迈向“绿色设计”

本研究通过整合实验测量与计算机模拟描述符，建立了一个评估FILs植物毒性的工作流程。研究证实，FILs的植物毒性与其理化性质（尤其是亲脂性和生物累积潜力）密切相关，而这些性质又受到阴离子和阳离子功能基团精细结构的深刻影响。更具氟化性、更大体积、电荷更离域的阴离子，以及线性（与环状相比）的庞大烷基取代基，通常会导致更高的毒性。

基于这些发现，研究提出了“绿色设计”准则，以指导未来开发对环境影响更小的更安全离子液体。这些准则包括：优先选择亲脂性更低、生物累积潜力更小的阴离子（例如，避免使用高度氟化的长链磺酰亚胺）；考虑阳离子取代基的拓扑结构（环状、刚性结构可能比线性、柔性结构更有利）；将天然、可再生的生物基分子（如薄荷醇）作为功能组分，虽然本研究中其直接减毒效果因阴离子效应而复杂化，但其在可持续性方面的价值不容忽视。这项工作为改进离子液体的环境风险评估提供了科学依据，并为在农用化学品等领域优先选择更安全的ILs提供了具体的设计标准。