《Chemosphere》：Formation of nitrogen-containing disinfection by-products induced by amide moiety in dissolved organic matter
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本研究探究酰胺类物质在饮用水氯消毒中的副产物形成机制，发现酮-烯醇互变异构显著提升反应活性，但需高浓度活性氯及长时间作用。N,N-二取代酰胺依赖双键或芳香环引发反应，而单取代酰胺主要生成N-Cl衍生物。
D.M. Mazur|A.S. Surmillo|I.S. Varsegov|D.S. Kosyakov|A.T. Lebedev
材料科学系，深圳北理研究生院，中国517182
摘要
水氯化过程可能产生大量的含氮消毒副产物（N-DBPs），这些副产物具有显著的毒理学危害。虽然胺类的转化过程已经被广泛研究，但由酰胺基团引发的DBP形成途径仍知之甚少。氮原子上存在任何烷基都会显著增加转化的复杂性，这表明在水氯化条件下酰胺不会发生N-脱烷基反应。相反，酰胺对DBP形成的影响主要体现在其能够进行酮-烯醇互变异构，从而生成更具反应性的烯醇形式。然而，从酰胺生成大量DBPs需要较高的活性氯浓度和较长的反应时间。对于N,N-二取代的酰胺，DBP的形成很大程度上依赖于其他反应性官能团的存在，如C=C双键或芳香环。单N取代的酰胺表现出有限的反应性，主要生成N–Cl衍生物。
引言
饮用水的消毒是确保公共健康的关键步骤，通过消除致病微生物来实现。在全球范围内，氯化仍然是最广泛使用且经济上可行的饮用水处理方法（Lebedev, 2007）。然而，当消毒剂与水中的天然有机物（NOM）、人为污染物（紫外线过滤器、增塑剂、烃类、药物、个人护理产品、表面活性剂等）以及无机物质发生反应时，这一过程可能会产生意外的副产物。过去四十年来，人们投入了大量精力来识别消毒副产物（DBPs），了解它们的来源和转化途径，并评估其毒性和健康影响（Richardson et al., 2007; Dong et al., 2023; Forster et al., 2025; Plewa et al., 2008a; Yang and Zhang, 2013; Li and Mitch, 2018; Lau et al., 2023; Cochran et al., 2024; Li and Richardson, 2026）。目前估计已有约700-800种DBPs（Richardson, 2011; Richardson and Ternes, 2018; Yang and Zhang, 2016; Usman et al., 2023）。如此众多的产物是由于天然水中存在多种天然和人为物质，以及消毒过程中发生的多种化学反应所致（Mazur and Lebedev, 2022）。所有DBPs通常被分为含卤素、含氧（O-DBPs）和含氮（N-DBPs）的消毒副产物。N-DBPs因其较高的健康风险而受到越来越多的关注（Plewa et al., 2004, 2008a, 2008b; Muellner et al., 2007），相比之下，三卤甲烷和卤乙酸的危害相对较低。N-DBPs是在常规消毒剂（氯、次氯酸盐、氯胺、臭氧）与含氮有机化合物（包括氨基酸、蛋白质、尿素、胺类或酰胺）反应时形成的，这些化合物在源水中较为常见（Forster et al., 2025）。这些反应可以生成多种N-DBPs，包括亚硝胺、有机氯胺（How et al., 2016）、卤乙腈、卤乙酰胺、卤硝基甲烷以及氰基卤化物或其高分子类似物，尤其是从富含氮的有机物质中大量产生的（Shah and Mitch, 2012）。某些N-DBPs，如亚硝胺，特别令人担忧；例如，N-亚硝基二甲胺（NDMA）被美国环境保护署（EPA）列为可能的致癌物，并且在多项动物实验中被证明能诱发肿瘤（Lijinsky et al., 1987; Lijinsky, 1987）。最近的研究表明，N-DBPs的形成和存在情况会因水处理方式、所用消毒剂的类型和剂量、源水的化学组成以及前体的存在而显著不同（Forster et al., 2025）。此外，替代消毒方法（如氯胺化）的使用增加，导致某些N-DBPs的浓度升高，引发了关于水处理过程中微生物安全与化学安全之间权衡的担忧（Kristiana et al., 2017; Shen, 2021）。了解N-DBPs的形成机制、存在形式及其健康影响对于制定有效策略以减少其在饮用水中的含量至关重要。此前，我们已经展示了在饮用水制备过程中各种类型N-DBPs的形成，包括卤代脂肪酰胺（Kosyakov et al., 2017）、废水处理过程中药物的转化产物（Ul'yanovskii et al., 2022），以及游泳池维护用配方的转化产物（Ul'yanovskii et al., 2020; Varsegov et al., 2022）。这些研究揭示了水氯化条件下发生的多种反应，包括一些意外的反应，如N-脱烷基。进一步的研究还揭示了脂肪族和芳香族胺在水氯化过程中的转化途径，从而生成了多种N-DBPs（Mazur et al., 2024）。其中一个主要过程是酰胺基团的N-脱烷基反应，随后氧化为低分子产物（N-氯胺、醛类、腈类）。将胺类底物的氯化与单电子转移（SET）电化学氧化进行比较，发现两者反应机制相似。最近的研究表明，一级和二级酰胺可以生成反应性的初级N-DBPs（N–Cl衍生物），这些衍生物可能进一步与溶液中的其他有机化合物（如酚类、醌类）相互作用，从而起到二次氯化的作用（Zhang and von Gunten, 2023; Wu et al., 2026）。然而，关于N,N-二烷基酰胺的转化情况仍缺乏信息，除了已知在活性氯存在下会形成N-氯酰胺之外，其他N-DBPs的形成机制尚不明确。为了全面了解水氯化过程中N-DBPs的形成途径，本研究旨在揭示酰胺基团的反应机制及形成的DBPs的多样性。
化学品和试剂
脂肪族和芳香族酰胺的标准品（图1：N,N-二甲基乙酰胺、N,N-二甲基丙烯酰胺、吡咯烷-2-酮、N-甲基吡咯烷-2-酮、N-甲基哌啶-2-酮、N-苯乙酰胺、N-(o-甲苯基)苯酰胺）购自Acros Organics（纯度99%，比利时Geel），用作模型底物。由于一级酰胺已有过相关研究，因此本研究主要关注含有脂肪族和芳香族基团的二级和三级酰胺。
酰胺在水氯化条件下的转化
在之前针对胺类进行的条件下（Mazur et al., 2024），酰胺的水氯化效率较低。在研究的七种酰胺中，只有N,N-二甲基丙烯酰胺发生了转化，这是由于其结构中含有C=C双键。这一基团成为了主要反应位点。然而，即使在这种情况下，酰胺的转化率也低于10%。由于本研究的目标之一是生成初级N-DBPs，因此需要较高的活性氯浓度...
结论
酰胺基团对DBP形成的影响主要体现在其通过酮-烯醇互变异构生成烯醇形式的能力上。烯醇形式在氯化反应中更具反应性，但仍需要较高的活性氯浓度和足够的反应时间。虽然胺类发生了N-脱烷基反应，但酰胺在水氯化或电化学氧化过程中并未观察到这一现象。
CRediT作者贡献声明
D.M. Mazur：撰写初稿、验证、方法学设计、数据整理。A.S. Surmillo：数据可视化、软件应用、数据分析、形式分析、数据整理。I.S. Varsegov：软件应用、数据分析、形式分析、数据整理。D.S. Kosyakov：验证、资源协调、数据分析。A.T. Lebedev：撰写终稿、审稿与编辑、项目监督、资源管理、方法学设计、资金申请。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了俄罗斯科学基金会（项目编号：24-43-00153）的支持，并使用了北方（北极）联邦大学（阿尔汉格尔斯克，俄罗斯）的“Arktika”核心设施中心的仪器设备。
