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抗生素作为一种新污染物，对环境和人类健康的潜在威胁已被越来越多的人所关注[1]. 磺胺类抗生素（SAs）是历史上使用时间最长的抗生素之一，目前已有150多种磺胺类抗生素被应用于医药、农业和畜牧养殖业中[2]，由于使用量大、使用不规范以及其具有较强的亲水性和化学稳定性，SAs已成为全球水环境中赋存最广泛的一类抗生素[3]. 磺胺甲恶唑（SMX）是一种常用的SAs，已被确定为地表水和地下水中最常检测到的抗生素之一，在我国主要水系近10年中均大量检测到SMX，浓度范围约为1.72—224.27 ng·L−1[4]. 长期低水平的抗生素残留会加速耐药细菌和耐药基因的发展，从而对生态环境和人类健康构成重大威胁[5].
目前，去除水体中抗生素的方法大致分为吸附、生物和氧化降解等三类. 由于SMX具有强亲水性，吸附法去除的效率较低[6]，同时，生物降解因为耗时较长[7]，一般也不作为SMX降解去除的主要方法. 在以往的研究中，已经报道了多种氧化体系对水体中SMX的降解去除，如游离氯、臭氧、铁酸盐和二氧化钛光催化降解等，其中游离氯和臭氧虽然取得了较好的处理效果，但在处理过程中不可避免的产生了有毒副产物，造成二次污染[8]. 而铁酸盐和二氧化钛并未在水处理工艺中得到过实际的应用，因此，有必要进一步研究其他的氧化剂对SMX的去除情况.
ClO2是水处理工艺中常用的消毒剂和氧化剂，因具有较高的生物灭杀效率和较少的氯化副产物产生，已被广泛应用于国内外的水处理系统中[9]. 前期的研究已经证实ClO2能够有效降解SAs[10 − 11]，然而，由于ClO2与SMX反应速度极快，反应中间体、过渡态存在时间短暂，实验手段难以捕捉、提取及证实具体的物质种类，致使不能更深层次的剖析整个反应发生的路径以及反应机理. 本文采用量子化学模拟分析ClO2氧化降解SMX的过程，计算获得可能的过渡态、中间体及终产物，结合实验结果进行比对分析，从而进一步明确ClO2氧化降解SMX的反应路径及机理.
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二氧化氯（A.R.）购自北京北方伟业计量技术研究院；磺胺甲恶唑（纯度98%），磺胺甲恶唑-D4（纯度98%）均购自北京百灵威科技有限公司；甲醇（HPLC级），乙腈（HPLC级），甲酸（HPLC级）均购自赛默飞世尔科技（中国）有限公司，其他实验药品纯度至少为分析纯.
用甲醇溶解0.10 g的SMX，转移至10 mL容量瓶并定容，制得10 g·L−1的SMX储备液，于4 ℃冰箱密封避光保存，用于氧化产物分析实验. 实验时，向SMX储备液中加入Milli-Q水净化系统（IQ7000）制备的超纯水（18.2 MΩ·cm）进行溶解.
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以锡纸包裹的棕色玻璃容器作为反应发生器，在磁力器（MS-H280-Pro，DLAB Scientific）搅拌下开展SMX和ClO2的反应实验. SMX溶液反应初始浓度为40 μmol·L−1，为了确定SMX和ClO2反应可能的产物，[ClO2]0/[SMX]0的初始物质的量比为1:1和4:1时，反应溶液的pH值和温度分别调整为7.5和30 ℃. 反应96 min后，取出20 mL反应液并移入装有过量硫代硫酸钠（Na2S2O3）的烧杯中淬灭剩余ClO2以终止反应. 取出1 mL被淬灭的溶液加入安捷伦2 mL棕色进样瓶中，并加入0.05 mL，浓度1 g·L−1的内标物SMX-D4进行样品分析. 实验设置空白实验，以仅投加SMX的反应溶液和投加SMX及磷酸盐缓冲液的反应溶液作为对照实验，反应条件同上. 实验使用的ClO2溶液每15 天更新1次，以确保其有效浓度. 所有实验均设3个平行，相对标准偏差均在8%以下. 反应结束后，ClO2的消耗量一般不超过15%，溶液的pH值变化不超过0.1，温度变化不超过0.1 ℃.
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采用高效液相色谱串联三重四极杆质谱（UPLC-MS/MS，Agilent，
1290 -6470 ）进行SMX的定量分析以及SMX和ClO2反应的产物分析. 采用ZORBAX RRHD SB-C18（Agilent，2.1 mm×10 mm，1.8 μm）的色谱分析柱，柱温24 ℃，进样量10 μL. 流动相为1%的甲酸水溶液（A）和乙腈（B），流速为0.3 mL·min−1. 采用梯度洗脱，样品运行时间1 min，梯度洗脱程序见先前的研究[12]. 根据SMX的性质，采用正离子源（ESI+）扫描，在多反应监测（MRM）模式下对SMX的特征离子对进行检测，并对质谱条件进行优化，以使特征离子对的丰度和比例达到最佳（表1）. 雾化气体、去溶剂气和碰撞气均为高纯氮气，最佳条件是物化压力35 psi，去溶剂气流量5.0 μL，离子源温度300 ℃，鞘气温度350 ℃，毛细管电压为4000 V，SMX质谱参数详见表1.采用内标法对目标物质进行定量. SMX标准曲线的相关系数（R2）为
0.9997 ，表明其在0.05 μg·L−1至400 μg·L−1之间具有良好的线性相关性. 检测限（LODs）和定量限（LOQs）分别定义为信噪比为3和10时对应的浓度，二者分别为0.04 μg·L−1和0.01 μg·L−1. 产物分析采用UPLC-MS/MS检测，模式为MS2 Scan，质荷比（m/z）范围为40—400. 采用紫外分光光度法（UV-4800 ，Unico）在360 nm和430 nm处检测ClO2浓度，用pH计（PHS-3C）监测溶液的pH. -
研究涉及的所有量子化学计算都由Gaussian16程序[13]完成，在密度泛函理论的B3LYP/6-31G（d,p）水平上，采用SMD隐式溶解模型，以水作为溶剂，对反应体系的反应物、中间体、过渡态和产物的几何结构进行优化，并通过振动分析确认平衡点无虚频，过渡态只有一个虚频. 用opt=TS关键词寻找反应的过渡态，并对每一个过渡态加以内禀反应坐标计算（IRC）验证，确定其连接对应的反应物和产物. 为进一步提高热力学数据的精度，在B2PLYP-D3（BJ）/def2-TZVP水平结合SMD溶剂模型计算单点能，并与B3LYP/6-31G（d,p）水平结合SMD溶剂模型做振动分析得到的吉布斯自由能校正量相加来计算反应势垒. 所有分子结构的绘制均使用CYLview软件[14].
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在[SMX]0=40 μmol·L−1, [ClO2]0/[SMX]0为4:1和1:1，pH=7.5，温度为30 ℃的实验条件下，利用UPLC-MS/MS对样品进行全扫描，分别在0、1、3、5、10、30、45、60、80、100 min取样品检测SMX降解过程的产物.
在SMX与ClO2反应的产物分析中，共检测到28种物质的m/z. 根据SMX的结构和反应位点分析，筛选出12个m/z离子，分别为99、110、116、126、158、163、172、173、194、216、227和238，以P_m/z来表示这些物质. 在4:1和1:1的[ClO2]0/[SMX]0反应实验中发现5个相同的m/z物质，分别是P_99、P_130、P_194、P_172和P_110.
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用B3LYP/6-31G（d,p）基组对SMX的分子结构进行了优化，同时进行频率计算，优化后的SMX分子结构如图1所示，振动分析结果无虚频，二面角C（1）—N（11）—S（13）—C（16）为80.8°，表明苯环与异恶唑环不在同一平面上. SMX的主要键长数据标于图中，单位为nm. 优化所得的结构与SP. Vijaya等[15]得到的基本吻合，表明优化的结构合理.
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在前期研究中[12]，提出了C3、S13、C16这3个位点是最易与ClO2进行反应的位点，容易发生S（13）—N（11）键、S（13）—C（16）键、C（3）—N（11）键的断裂，但其反应路径仅基于产物m/z、结构变化等分析推断，缺乏理论验证和支撑.
陈天朗等[16]提出了ClO2在水溶液中非离子化水解反应的概念，认为即使在无光照和加热情况下，ClO2与H2O除发生离子化水解外，还存在如式（1）、（2）所示的非离子化水解产生·OH的过程.
其总反应为：
同时，ClO2在水溶液发生反应时会经历单电子转移过程[17 − 19]，从而与水发生如式（4）、（5）所示的单电子转移反应，这是ClO2水溶液中·OH来源的又一途径.
Wang等[20]在进行ClO2氧化双氯芬酸的路径分析中，提出·OH促进了产物的羟基化反应从而产生酚类物质这一路径，虽未阐明·OH的来源，但也证实了·OH参与了ClO2氧化有机物的过程. 基于上述分析，本文提出ClO2与水溶液反应产生·OH从而对SMX进行氧化降解是其降解SMX的一个重要途径. 为深入探究ClO2氧化SMX的反应机制，应用密度泛函理论在B3LYP/6-31G（d,p）水平上进行ClO2氧化降解SMX过程的研究.
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ClO2于水相中产生的·OH在异恶唑环上的C和N位点主要发生加成反应，分别对C1、C2、C3和N6位点进行ClO2的氧化模拟. 图2表示了ClO2分别与C1、C2、C3和N6位点反应的可能路径，图中反应物、过渡态、中间体和产物均为优化后的结构，分别以反应位点_Re、TS、IM、相对分子质量来表示.
ClO2与水溶液反应产生了·OH，·OH在C1、C2和N6位点分别进行加成反应，键长值的变化如图2所示，反应跨越的势垒分别为8.8、5.4、24.3 kcal·mol−1，放出14.0、2.7、25.2 kcal·mol−1的热量，生成了C1_270、C2_270和N6_270. 通过势垒比较可以看出在异恶唑环上C位点进行加成反应较之N位点更为容易，且在C2位点进行加成的势垒最低.
·OH在C3位点可以分为从环上方反应和环下方反应两种方式. ·OH从环上方与C3位点发生加成反应，跨越的反应势垒为16.3 kcal·mol−1. 反应使C（2）—C（3）键、C（3）—N（6）键和C（3）—N（11）键的键长分别由反应物C3_Re的0.142 nm、0.133 nm和0.139 nm增加到中间体C3_IM的0.150 nm、0.148 nm和0.148 nm，同时，C（3）—O（29）键的键长由过渡态C3_TS的0.200 nm减小至中间体C3_IM的0.141 nm，放出3.6 kcal·mol−1的热量. 该反应生成的C3_IM自身的C（3）—N（11）键会进一步发生断裂，其键长由中间体C3_IM的0.148 nm增加到过渡态C3_TS2的0.203 nm，且C（3）—O（29）键的键长由0.141 nm减小至0.134 nm，同时，S（11）—N（13）键的键长由过渡态C3_TS2的0.166 nm减小至产物C3_172的0.159 nm，跨越的反应势垒为16.9 kcal·mol−1，放出6.8 kcal·mol−1的热量.
·OH从环下方与C3位点发生反应的过程中键长变化与从环上方反应类似. 反应第一步跨越的势垒为18.9 kcal·mol−1，放出2.6 kcal·mol−1的热量，生成的中间体C3_2_IM进一步发生C（3）—N（11）键的断裂，跨越的反应势垒为15.4 kcal·mol−1，放出8.3 kcal·mol−1的热量. 这两种反应方式都分为两步进行，从环下方反应的势垒稍大，但产物相同，都生成C3_99和C3_171两种物质. 其中C3_171与水中的H+结合可生成C3_172，其与P_172的m/z相同，这与之前研究提出的C（3）—N（11）键断裂生成P_172的反应路径一致[12]. 计算获得的C3_99与实验测得的P_99的m/z相同，这一结构尚未被已有研究提出[7,12,21].
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ClO2攻击SMX苯环可以通过·OH与苯环发生抽氢和加成两种反应，然而，抽氢反应在两种反应中的占比较少，仅为6.60%[22]，且SMX的苯环上被抽去1—4个H得到的产物的m/z和实验测得的m/z并无重复，因此，只考虑了加成反应的路径计算. 考虑到苯环上C原子的对称性，本文仅对·OH攻击C16、C18和C21这3个位点进行模拟分析. 图3表示了ClO2 分别与3个位点反应的可能路径，图中反应物、过渡态和产物均为优化后的结构.
·OH在C16位点发生加成反应促使S（13）—C（16）键的断裂，其键长由反应物C16_Re的0.176 nm增加到过渡态C16_TS的0.179 nm，跨越的反应势垒为9.7 kcal·mol−1. 同时，C（16）—O（29）键的键长由过渡态C16_TS的0.214 nm减小至产物C16_109的0.132 nm，放出33.7 kcal·mol−1的热量，反应生成C16_161和C16_109两种物质. 其中C16_109与实验得到的P_110的m/z相同，为对氨基苯酚，同时，C3_171的苯环上同一位点也可与·OH反应产生对氨基苯酚，该物质被认为是ClO2与SMX反应最常见的产物之一[12,21]，其生成路径不存在中间体. 对氨基苯酚上氨基的邻位还可以进一步羟基化，生成4-氨基间苯二酚，反应仅需跨越1 kcal·mol−1的势垒.
·OH在苯环上的C18和C21位点都能发生加成反应，两个反应跨越的势垒分别为12.1、5.1 kcal·mol−1，放出0.6、4.4 kcal·mol−1的热量. 反应分别生成了C18_270和C21_270，通过势垒比较可得苯环上最容易发生加成反应的位点为C21. 然而，C21位点多次尝试优化反应前络合物并未成功，焦晓微等[23]也未能得到该反应的反应前络合物，因此推测该反应可能不存在反应前络合物.
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多数研究表明ClO2能够与磺酰基上的S以及与磺酰基相连的N11发生反应，但由于·OH在N11位点反应的势垒较高，理论上反应难以进行，因此开展了其他反应机理的探索. SMX在溶液中存在两种解离途径，分别产生了SMX阳离子（SMX+）和SMX阴离子（SMX−），如图4所示. 前文对ClO2与C16的反应探究中得到了产物C16_161，结合水中H+可生成C16_162，其上的C3位点进一步与·OH反应可产生产物P_80，这两种产物应当也存在类似的解离途径. 在1.82<pH<5.6时溶液中SMX中性形式占主导，pH<1.85时SMX+占主导，pH>5.6时SMX−占主导. 在本实验中，pH值保持在7.5，因此溶液中大量存在SMX−、C16_162−和P_80−.
由于ClO2氧化时可以发生单电子转移反应，因此SMX−、C16_162−和P_80−在ClO2的作用下，分别发生如（6）、（7）、（8）所示反应，产生SMX自由基、C16_162自由基和P_80自由基，进而与SMX分子进行反应.
针对这一推测，在同一计算水平上分别用SMX自由基、C16_162自由基和P_80自由基与SMX分子进行反应. 图5依次表示了·OH、SMX自由基、C16_162自由基和P_80自由基分别与SMX的磺酰基上S位点发生反应的路径，图6表示了这4种自由基在N11位点发生反应的路径. 图中反应物、过渡态和产物均为优化后的结构.
ClO2与水溶液反应产生·OH，·OH可以分别从苯环一侧和异恶唑环一侧与磺酰基上S位点发生反应. 从苯环侧与S位点反应促使S（13）—N（11）键断裂，其键长由反应物S_OH_Re的0.173 nm增加到过渡态S_OH_TS的0.184 nm，跨越的反应势垒为18.9 kcal·mol−1. 同时，S（13）—O（29）键的键长由过渡态S_OH_TS的0.192 nm减小至产物S_173的0.164 nm，放出19.8 kcal·mol−1的热量. 从异恶唑环侧与S位点反应也会促使S（13）—N（11）键断裂，其键长值的变化如图5所示，反应跨越的势垒为18.9 kcal·mol−1，放出23.9 kcal·mol−1的热量. 比较而言，从异恶唑环侧与S位点进行反应的势垒要远高于苯环侧，这可能是由于从异恶唑环侧与S位点反应的位阻更大. 这两种反应方式都生成了S_97和S_173，其中S_97与水中的H+结合，可生成S_98，S_98与实验测得P2_99的m/z相同（由于P_99对应两种不同的物质，故将此处结构命名为P2_99），这一路径与先前推测的P2_99做为SMX的R基团由于S（13）—N（11）键断裂而被生成一致[12]. 此外，在添加了缓冲液的对照组中，也检测到P_99，这表明SMX可以在pH为7.50且没有ClO2的情况下分解，但这一过程的机制尚不明确. S_173与实验得到的P_173的m/z相同，同时，C3_172上的S位点也可与·OH反应使S（13）—N（11）键断裂从而生成S_173，这与先前得到的C（3）—N（11）键断裂生成P_172，其S位点再发生羟基化反应生成P_173这一路径一致[12].
SMX自由基、C16_162自由基和P_80自由基与磺酰基上S位点反应均可使S（13）—N（11）键断裂，各键长值的变化如图5所示. 3个反应跨越的势垒分别为37.2、36.2、28.1 kcal·mol−1，前两个反应分别放出10.5、12.4 kcal·mol−1的能量，P_80自由基与S13位点反应为吸热反应，吸收的能量为3.3 kcal·mol−1. 3条反应路径共生成了S_97、S_408、S_317和S_236四种产物，其中P_80自由基与SMX反应的产物S_236与实验测得的P_238的m/z相同，其结构与先前研究中相同m/z的产物不同[12]，其它研究中尚未提出这两种结构形态[21,24].
ClO2与水溶液反应产生·OH，·OH在与磺酰基相连的N11位点反应，促使S（13）—N（11）键的断裂，其键长由反应物N11_OH_Re的0.169 nm增加到过渡态N11_OH_TS的0.211 nm，跨越的反应势垒为47.6 kcal·mol−1. 同时，N（11）—O（29）键的键长由过渡态N11_OH_TS的0.176 nm减小至产物N11_114的0.143 nm，放出12.3 kcal·mol−1的热量. 该反应生成N11_114和N11_156两种物质. 其中N11_156结合水中的H+可以生成N11_157，而N11_157与实验得到的P_158的m/z相同，这与推测的P_158来自于S（13）—N（11）键的断裂一致[12].
SMX自由基、C16_162自由基和P_80自由基在N11位点进行反应，也可使S（13）—N（11）键断裂，3条反应路径的主要键长变化如图6所示，跨越的反应势垒分别为42.4、47.3、35.8 kcal·mol−1，放出热量分别为17.3、18.9、4.7 kcal·mol−1. 3条路径共生成了N11_156、N11_349、N11_258和N11_176等4种产物.
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ClO2在水体中通过非离子化水解和单电子转移过程产生·OH来对SMX进行氧化降解是其氧化作用的一条重要途径. ClO2与水反应产生的·OH在异恶唑环和苯环上主要发生加成反应，其中在C3位点进行加成得到的中间体C3_IM自身会进一步发生C（3）—N（11）键的断裂，在C16位点进行的加成反应与S（13）—C（16）键的断裂存在协同效应，这与郑丽英等[22]的研究结果相同. 此外，在针对磺酰基和N11位点上的反应时还提出了通过ClO2的单电子转移过程产生SMX自由基等一系列自由基的新反应思路. 最终，综合反应势垒得到ClO2与SMX的具体反应路径见图7，反应势能面如图8所示.
SMX在ClO2的作用下主要发生了C（3）—N（11）键（路径Ⅰ）、S（13）—C（16）键（路径Ⅱ）和N（11）—S（13）键（路径Ⅲ）的断裂. 路径Ⅰ生成了C3_99和C3_171，其中C3_99可对应于实验测得的产物P_99，C3_171可对应于实验测得的P_172. 路径Ⅱ生成了C16_161和C16_109，C16_161可以结合水中的H+变为C16_162，从而对应于在无缓冲液的对照实验中测得到产物P_163，它可以在ClO2的作用下发生C（3）—N（11）键的断裂，从而生成P_99；C16_109可对应于实验测得的P_110. 路径Ⅲ生成了S_98和S_173，S_98可对应实验测得的P2_99，它还可以由P_163发生N（11）—S（13）键的断裂生成，同时，它也会进一步发生羟基化反应生成P_99或P_116；S_173可对应于实验测得的P_173，同时，P_173还可以由P_172发生羟基化反应产生，并且它也会在ClO2的作用下进一步羟基化从而产生P_110. 路径Ⅳ表示·OH在P_110氨基的邻位进行加成的过程，生成了P_126.
此外，还存在一些反应势垒较高，但产物与实验部分可以对应的反应路径. 路径Ⅴ表示ClO2在N11位点反应使N（11）—S（13）键断裂的过程，与路径Ⅲ不同的是，该路径势垒达到了47.6 kcal·mol−1，理论上几乎不可能发生，但是该路径生成的N11_157可对应于实验测得的P_158. 考虑到实际实验中的温度、溶液溶质和pH值等各个条件的变化都会对反应产生较大的影响，因此仍将其列为一条可能的反应路径. 路径Ⅵ表示在P_80自由基作用下使得N（11）—S（13）键断裂的过程，该过程势垒为28.1 kcal·mol−1，属于理论上较难进行的反应，且由于该反应为吸热反应，因此在实际实验过程中应当还存在其他环境因素的促进作用. 该路径得到的产物S_238可对应于实验测得的产物P_238，它可以进一步羟基化为P_158或P_110；该路径的另一产物S_98可对应于实验测得的P2_99.
除上述路径外，还存在一些复杂的开环或耦合反应，且已有相关研究进行了验证. 路径Ⅶ表示苯环上的氨基被氧化，同时发生C—C键的加成，并且异恶唑环裂解的过程[25 − 26]，这一路径得到了产物P_227. 路径Ⅷ表示异恶唑环失去一个羰基后发生开环的过程，这一过程是由Trovó等[27]提出的，反应生成了产物P_216. 路径Ⅸ表示苯环上C（23）—N（26）键断裂失去氨基生成P2_238的过程. 路径Ⅹ表示两分子的P2_99结合，生成P_194，这在之前的研究中也被提出过[28].
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本研究通过量子化学理论计算与实验相结合的方式，对ClO2氧化降解SMX的机理进行了探究，提出了ClO2通过非离子化水解和单电子转移过程产生·OH、SMX自由基等一系列新自由基来进行氧化降解的新思路. ClO2与水溶液反应产生的·OH与SMX主要发生加成反应，异恶唑环上C2位点加成势垒最低，为5.4 kcal·mol−1；在苯环上C21位点加成势垒最低，为5.1 kcal·mol−1；在异恶唑环上C3、苯环上C16以及磺酰基上S13位点进行加成分别与C（3）—N（11）键、S（13）—C（16）键和N（11）—S（13）键的断裂存在协同效应，这3个位点也是ClO2与SMX发生反应的主要位点. 此外，还结合已有研究，对复杂开环反应和耦合反应进行了路径进行分析，最终综合整理得到ClO2氧化SMX的完整反应路径，可以为研究ClO2氧化降解复杂结构有机物提供科学依据.
二氧化氯降解磺胺甲恶唑的反应机理研究
The mechanism of sulfamethoxazole degraded by chlorine dioxide
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摘要: 磺胺甲恶唑（SMX）作为新型污染物在水环境中广泛检出，现有水处理工艺难以降解去除，二氧化氯（ClO2）作为高效氧化剂和消毒剂能有效降解磺胺类抗生素. 为探究ClO2降解SMX的反应路径，本研究采用量子化学计算方法分析模拟ClO2降解SMX的反应历程，结合反应产物的实验测定结果，确定二者反应的产物结构并提出反应路径. 研究结果表明，ClO2通过非离子化水解和单电子转移过程产生·OH并对SMX进行氧化降解，在SMX的异恶唑环和苯环上发生加成反应，其中，C21位点最易发生加成，势垒仅为5.1 kcal·mol−1；SMX的C3位点先发生加成反应，得到反应中间体，再进一步发生C(3)—N(11)键的断裂，两步反应的势垒分别为16.3 kcal·mol−1和16.9 kcal·mol−1；C16位点发生的加成反应与S(13)—C(16)键的断裂存在协同效应，势垒为9.7 kcal·mol−1；SMX磺酰基S13位点与ClO2发生取代反应，反应使N(11)—S(13)键断裂，势垒为18.9 kcal·mol−1. ClO2降解SMX的主要产物为对氨基苯酚、对氨基苯磺酸、对氨基苯磺酰胺和5-甲基异恶唑-3-醇等. 通过分析比对ClO2降解SMX产物的质谱数据，验证了降解路径的合理性. 本研究通过量子化学模拟结合实验结果分析反应机理及降解路径的方法合理可靠，可为ClO2氧化降解复杂结构有机物提供科学依据.Abstract: Sulfamethoxazole (SMX) has widely detected in the aqueous environment as an emerging contaminant and it is difficult to be removed by conventional water/wastewater treatment processes. Chlorine dioxide (ClO2) can effectively degrade sulfonamide antibiotics as an efficient oxidant and disinfectant. In order to investigate the reaction pathways of SMX reacting with ClO2, quantum chemical calculation and simulation were used to analyze the reaction pathways of SMX degraded by ClO2 in this research. Combined with experimental measurements of the reaction products between SMX and ClO2, reaction pathways were proposed and the product structures were determined. The results showed that ClO2 can generate ·OH through the processes of nonionic hydrolysis and single electron transfer and then degrade SMX. Addition reactions occurred at the isoxazole ring and benzene ring of SMX and the most reactive site was C21 atom with a potential barrier of 5.1 kcal·mol−1. The reaction intermediate was obtained via the addition reaction of C3 site of SMX firstly, and then the C(3)—N(11) bond was broken. The potential barriers of the two reaction steps were 16.3 kcal·mol−1 and 16.9 kcal·mol−1, respectively. There was synergistic effect between addition reaction of the C16 and the breakage of the S(13)—C(16) bond, with a potential barrier of 9.7 kcal·mol−1. The substitution reaction occurred at the S13 site of the sulfonyl group, which induced the cleavage of the N(11)—S(13) bond with a potential barrier of 18.9 kcal·mol−1. p-aminophenol, p-aminobenzene sulfonic acid, p-aminobenzene sulfonamide and 5-methylisoxazol-3-ol were found to be the common products. The products of SMX reacting with ClO2 were determined and the degradation pathways were verified by comparing with the mass spectrometry data. The method of quantum chemistry simulation combined with experimental results to analyze the reaction mechanism and degradation path is reasonable and reliable, which can provide scientific basis for complex organic degraded by ClO2.
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Key words:
- chlorine dioxide /
- sulfamethoxazole /
- quantum chemistry /
- reaction pathway.
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图 1 优化后的SMX分子结构图及主要键长（nm）
Figure 1. Structure diagram and major bond lengths （nm） of optimized SMX molecule
图 2 ClO2分别与异恶唑环上C1、C2、C3和N6位点的反应路径
Figure 2. The pathways of ClO2 reacting with C1, C2, C3 and N6 on the isoxazole ring of SMX
图 3 ClO2分别与苯环上C16、C18和C21位点的反应路径
Figure 3. The pathways of ClO2 reacting with C16, C18 and C21 on the benzene ring of SMX
图 5 ClO2与磺酰基上S位点的反应路径
Figure 5. The pathways of ClO2 reacting with the S site on the sulfonyl group of SMX
图 7 ClO2与SMX的反应路径（图中以蓝色、红色、黑色箭头分别表示反应势垒低于21 kcal·mol−1、反应势垒高于21 kcal·mol−1和根据已有研究分析得到的反应路径）
Figure 7. The pathways of ClO2 reacting with SMX （The blue and red arrows represent the pathways with reaction barrier below and above 21 kcal·mol−1, respectively. The black arrows represent the reaction pathways obtained from the existing research）
表 1 SMX的质谱测定条件
Table 1. Optimized conditions for electrospray tandem mass spectrometry determination of SMX
目标化合物
Compounds母离子
Precursor ion粉碎电压/V
Fragmentor定量
Quantitative定性
Qualitative子离子
Precursor ion碰撞电压/eV
Collision Energy子离子
Precursor ion碰撞电压/eV
Collision EnergySMX 254.2 95 108.8 27 155.9 17 
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