Degradacja wenlafaksyny za pomocą elektrod platynowych – nowa metoda oczyszczania wód

Czy wiesz, jakie zagrożenia niesie wenlafaksyna?

Wenlafaksyna jako zanieczyszczenie środowiskowe – innowacyjna metoda degradacji za pomocą elektrod platynowych jest istotnym zagadnieniem z perspektywy zdrowia publicznego. Wenlafaksyna, inhibitor wychwytu zwrotnego serotoniny i noradrenaliny, należy do grupy tzw. emerging contaminants – zanieczyszczeń nowo pojawiających się, które nie są rutynowo monitorowane, ale mogą być potencjalnie szkodliwe dla ekosystemów i zdrowia ludzkiego. Ten powszechnie stosowany lek przeciwdepresyjny został wykryty w różnych środowiskach wodnych na całym świecie w stężeniach od ng/L do mg/L, co budzi rosnące obawy środowiskowe.

Problem zanieczyszczenia wenlafaksyną wynika z jej niskiej absorpcji u ludzi – około 87% dawki jest wydalane i trafia do systemów wodnych poprzez ścieki domowe, szpitalne i przemysłowe. Jej trwałość i słaba biodegradowalność stanowią zagrożenie dla organizmów wodnych, powodując zaburzenia neurobehawioralne i reprodukcyjne. W konsekwencji wenlafaksyna została umieszczona na trzeciej liście obserwacyjnej UE dotyczącej zanieczyszczeń nowo pojawiających się. Konwencjonalne oczyszczalnie ścieków okazały się niewystarczające do całkowitego usunięcia wenlafaksyny, z efektywnością wahającą się od 7,7% do 56%, co podkreśla potrzebę poszukiwania alternatywnych metod oczyszczania.

Czy zaawansowane metody utleniania mogą skutecznie usuwać leki z wody?

Zaawansowane procesy utleniania (AOP) stanowią obiecującą alternatywę dla tradycyjnych metod oczyszczania wody. Procesy te wykorzystują różne systemy reakcji do generowania wysoce reaktywnych rodników hydroksylowych zdolnych do atakowania szerokiej gamy zanieczyszczeń organicznych. Jednak mimo wysokiej reaktywności, metody takie jak ozonowanie często cierpią z powodu praktycznych ograniczeń generacji in situ i znacznych kosztów operacyjnych. Podobnie, fotokataliza TiO₂ ma silne zdolności utleniające i niską toksyczność, ale przedstawia wyzwania związane z odzyskiem katalizatora i efektywnym wykorzystaniem światła.

Wśród AOP, elektrochemiczne zaawansowane procesy utleniania zyskują coraz większe zainteresowanie ze względu na ich prostotę, efektywność kosztową, bezpieczeństwo i zrównoważony charakter środowiskowy. Procesy te polegają na elektrochemicznym generowaniu silnych utleniaczy bez potrzeby stosowania szkodliwych reagentów chemicznych. Elektrochemiczne utlenianie anodowe może przebiegać poprzez mechanizmy bezpośrednie lub pośrednie, gdzie zanieczyszczenia są utleniane bezpośrednio na powierzchni anody lub pośrednio przez elektrochemicznie generowane reaktywne rodniki.

W przypadku wenlafaksyny istnieje tylko kilka badań dotyczących jej degradacji elektrochemicznej, wszystkie oparte na zastosowaniu elektrod BDD jako anody. Porównanie między degradacją elektrochemiczną a fotoindukcyjną wykazało, że oba procesy AOP są skuteczne, choć degradacja fotoindukcyjna zachodziła znacznie szybciej. Badania mechanizmów degradacji wykazały, że degradacja fotoindukcyjna przebiegała głównie drogą pośrednią za pośrednictwem rodników •OH, podczas gdy utlenianie elektrochemiczne obejmowało zarówno ścieżki bezpośrednie, jak i pośrednie.

Elektrody z diamentu domieszkowanego borem (BDD) posiadają cenne właściwości fizykochemiczne, takie jak szeroki zakres potencjałów, niski prąd tła, wysokie nadpotencjały tlenu i stabilność korozyjną. Jako elektrody obojętne pozwalają na słabą adsorpcję elektrochemicznie generowanych rodników hydroksylowych, zwiększając ich dostępność do reakcji z zanieczyszczeniami w roztworze. Jednak elektrody BDD mają również wiele ograniczeń. Są podatne na delaminację z podłoża, a wybór optymalnego podłoża wymaga oceny zgodności współczynników rozszerzalności cieplnej. Materiały takie jak krzem, tantal, niob i wolfram nie nadają się do zastosowań na skalę przemysłową. W związku z tym wykorzystanie innych materiałów elektrodowych jako anod byłoby niewątpliwie korzystne dla rozwoju technologii EAOP.

W badaniu porównano anody platynowe i ze szkła węglowego, koncentrując się na wyjaśnieniu krytycznej różnicy między mechanizmami utleniania bezpośredniego i pośredniego. Mimo braku bezpośredniego utleniania wenlafaksyny na platynie, co wykazały eksperymenty woltamperometrii cyklicznej, materiał ten pozwolił osiągnąć wyższą wydajność degradacji poprzez utlenianie pośrednie – kluczowy wniosek często pomijany w badaniach skupiających się głównie na elektrodach BDD. Degradacja poprzez utlenianie pośrednie była mechanizmem dominującym nawet na elektrodach zdolnych do bezpośredniego utleniania wenlafaksyny, takich jak elektrody ze szkła węglowego.

W niniejszej pracy platyna została zaproponowana po raz pierwszy jako opłacalna alternatywa dla anody BDD w elektrolitycznej degradacji wenlafaksyny. Platyna oferuje zaletę dobrze ustalonej procedury czyszczenia, zapewniającej wysoką powtarzalność stanu powierzchni, oraz jest stabilna i użyteczna przez dłuższy okres. Proces degradacji elektrochemicznej został zoptymalizowany w warunkach istotnych dla środowiska, tj. przy niemal neutralnym pH elektrolitu podstawowego i umiarkowanym natężeniu prądu, unikając w szczególności stosowania elektrolitów zawierających chlorki, aby zapobiec tworzeniu się szkodliwych produktów ubocznych dezynfekcji. Warto zauważyć, że wiele badań osiągnęło wysoką wydajność degradacji, ale wykorzystywało elektrolity oparte na chlorkach, co ogranicza ich praktyczne zastosowanie.

Przeprowadzono kompleksową identyfikację produktów transformacji za pomocą LC-MS/MS. Szczegółowe badania fragmentacji pozwoliły na rozróżnienie między izomerami, co dostarczyło cennych informacji na temat szlaków degradacji wenlafaksyny. Ponadto badanie to zostało połączone z oceną ekotoksyczności in silico przy użyciu modelu predykcyjnego ECOSAR, który wykazał zrównoważony charakter opracowanej techniki degradacji. To podejście, zgodne z ustalonymi metodologiami przewidywania zagrożeń, oferuje pełniejszą ocenę wpływu procesu oczyszczania na środowisko w porównaniu do badań skupiających się wyłącznie na usuwaniu związku macierzystego.

Badania wykazały, że materiał anody jest kluczowym parametrem wpływającym na wydajność degradacji elektrochemicznej zanieczyszczeń nowo pojawiających się. Wenlafaksyna jest związkiem elektroaktywnym, który może ulegać degradacji poprzez bezpośrednie utlenianie anodowe. Aby zidentyfikować elektrodę zapewniającą najwyższą wydajność degradacji, przeprowadzono wstępne badanie zachowania elektrochemicznego wenlafaksyny na elektrodach platynowych i ze szkła węglowego.

Szkło węglowe (GC) jest strukturalnie uporządkowanym, sp²-zhybrydyzowanym, niegrafityzującym się węglem o niskiej przepuszczalności, wysokiej odporności termicznej i dobrej przewodności elektrycznej. Jego struktura związana z fullerenem, utworzona przez zakrzywione warstwy grafenu zamykające zamknięte pory, zapewnia wyjątkową stabilność chemiczną i mechaniczną.

Podczas badania profilu woltametrycznego roztworu 0,1 mM wenlafaksyny w buforze fosforanowym o pH 7 na elektrodzie ze szkła węglowego zaobserwowano pik prądowy przy potencjale około 0,74 V, który można przypisać nieodwracalnemu utlenianiu wenlafaksyny, ponieważ w skanie wstecznym nie było piku katodowego. Płaski profil woltametryczny uzyskany w czystym elektrolicie dodatkowo poparł to przypisanie.

Z kolei profil woltametryczny wenlafaksyny na elektrodzie Pt był bardzo podobny do profilu uzyskanego w czystym roztworze elektrolitu, co sugerowało, że wenlafaksyna nie jest elektroaktywna na elektrodach platynowych, przynajmniej w badanym zakresie potencjałów. Anody platynowe są materiałami elektrodowymi typowo stosowanymi do utleniania zanieczyszczeń organicznych, ze względu na ich dobrą przewodność elektryczną i stabilność chemiczną.

Aby uzyskać głębsze zrozumienie zachowania elektrochemicznego wenlafaksyny na elektrodzie GC, zbadano wpływ szybkości skanowania na profil woltametryczny. Prądy piku oceniane z woltamogramów rejestrowanych w zakresie 5-150 mV/s wykazywały liniową zależność od szybkości skanowania, charakterystyczną dla procesów elektrochemicznych kontrolowanych przez adsorpcję. Można założyć, że adsorpcja wenlafaksyny jest napędzana oddziaływaniami π-π ze szkłem węglowym. Dodatkowo zaobserwowano przesunięcie potencjału piku w kierunku bardziej dodatnich wartości wraz ze wzrostem szybkości skanowania, co dodatkowo potwierdziło nieodwracalność procesu utleniania. To zachowanie może wyjaśniać brak elektroaktywności na platynie: słabe powinowactwo do tego materiału uniemożliwia wenlafaksynie adsorpcję na powierzchni elektrody, co jest niezbędne do zajścia utleniania.

Zarówno elektrody ze szkła węglowego, jak i platynowe zostały przetestowane jako anody do elektrochemicznej degradacji wenlafaksyny, niezależnie od elektroaktywności wykazanej przez wenlafaksynę. Płytka grafitowa była używana jako katoda we wszystkich eksperymentach.

Galwanostatyczna degradacja elektrochemiczna została przeprowadzona przy zastosowaniu gęstości prądu 10 mA/cm² przez 60 minut, przy użyciu 25 ppm roztworu wenlafaksyny w buforze fosforanowym 0,1 M o pH 7, utrzymywanego w mieszaniu podczas eksperymentu. Oszacowanie stopnia degradacji przeprowadzono na podstawie profili prądowych roztworu wenlafaksyny uzyskanych metodą woltamperometrii pulsowej różnicowej (DPV) na konwencjonalnej elektrodzie ze szkła węglowego i na elektrodzie platynowej przed i po elektrolizie. Obniżenie prądu piku wyniosło 25% i 40% odpowiednio dla płytek ze szkła węglowego i platyny używanych jako anody podczas elektrolizy. Ta pozorna rozbieżność między wynikami CV a elektrolizy może być wyjaśniona dominacją pośredniej ścieżki utleniania w procesie degradacji. Podczas gdy analiza woltametryczna nie wykazała bezpośredniego przeniesienia elektronów z wenlafaksyny na elektrodę platynową, elektroliza ujawniła znaczną wydajność degradacji przy zastosowanym prądzie. Było to spowodowane ciągłym elektrochemicznym generowaniem rodników hydroksylowych na powierzchni platyny, które następnie utleniały wenlafaksynę.

Aby dodatkowo potwierdzić hipotezę pośredniej ścieżki utleniania, eksperyment degradacji na płytce ze szkła węglowego powtórzono, dodając 200 mM etanolu do roztworu elektrolitu. Etanol jest powszechnie stosowany w literaturze jako zmiatacz rodników •OH. Eksperymenty zmiatania wolnych rodników pomagają zidentyfikować rodzaj aktywnych cząstek i ocenić ich rolę w procesach utleniania anodowego. Te zmiatacze rodników selektywnie oddziałują z aktywnymi cząstkami i konkurują z zanieczyszczeniami ze względu na ich wysoką reaktywność.

Z profili DPV uzyskanych przed i po elektrolizie w obecności etanolu zaobserwowano spadek prądu tylko o 8%, co było znacznie niższe niż spadek stwierdzony przy braku etanolu. Sugeruje to, że nawet na szkle węglowym degradacja leku zachodziła głównie poprzez mechanizmy pośrednie zapośredniczone przez rodniki •OH. Chociaż pośrednie dowody z eksperymentów zmiatania rodników wskazywały na udział rodników hydroksylowych, przyszłe badania wykorzystujące spektroskopię elektronowego rezonansu paramagnetycznego (EPR) mogłyby dostarczyć bezpośredniego potwierdzenia ich tworzenia podczas procesu elektrochemicznego. Ponieważ wenlafaksyna degradowała się bardziej na elektrodach platynowych niż na szkle węglowym, platyna została wybrana jako anoda do kolejnych eksperymentów degradacji elektrochemicznej.

Wydajność EAOP jest wysoce zależna od warunków eksperymentalnych stosowanych do przeprowadzenia elektrolizy, które zostały zoptymalizowane w tym badaniu w celu zapewnienia maksymalnego usunięcia leku i jego produktów transformacji. Zmianę stężenia wenlafaksyny podczas eksperymentów degradacji elektrochemicznej monitorowano, pobierając 1 mL porcje z roztworów elektrolitu w ustalonych odstępach czasu i analizując je za pomocą HPLC-UV. Metanol dodawano do każdego z analizowanych roztworów ze względu na jego zgodność z fazą ruchomą i skuteczność w wygaszaniu pozostałych rodników podczas przechowywania próbek. Należy podkreślić, że etanol był stosowany w badaniach mechanistycznych z elektrodami ze szkła węglowego ze względu na jego dobrze ustaloną selektywność wobec rodników hydroksylowych. Ten wybór umożliwił bardziej specyficzną ocenę ich roli w szlaku degradacji.

W degradacji elektrochemicznej dodaje się elektrolit podstawowy w celu poprawy przewodności roztworu i ułatwienia generowania silnych utleniaczy. Siarczan sodu jest uważany za elektrolit “aktywny”, ponieważ umożliwia tworzenie rodników siarczanowych (SO₄•−) poprzez różne ścieżki, głównie poprzez reakcję z rodnikami hydroksylowymi (•OH) wytwarzanymi podczas elektrolizy wody. Szybkość tworzenia SO₄•− jest więc ograniczona dostępnością rodników •OH. Wyższe stężenie siarczanu nie zwiększa produkcji aktywnych cząstek ani nie poprawia usuwania zanieczyszczeń. Ponadto nadmiar siarczanu może również prowadzić do zanieczyszczenia anody, co pogarsza wydajność elektrolizy. Dlatego powszechnie stosuje się standardowe stężenie 0,1 M. Początkowe warunki eksperymentalne dla degradacji wenlafaksyny opierały się więc na zastosowaniu 0,1 M siarczanu sodu o pH 7 jako elektrolitu podstawowego.

Zaawansowane elektrochemiczne procesy utleniania zazwyczaj działają w trybie galwanostatycznym. Gęstość prądu jest kluczowym parametrem, ponieważ kontroluje ilość wytwarzanych cząstek utleniających. Teoretycznie, wzrost gęstości prądu powinien sprzyjać generowaniu wolnych rodników na powierzchni anody. W rezultacie czas potrzebny do degradacji zanieczyszczeń zostałby skrócony. Jednak istnieje wartość progowa, powyżej której wysokie napięcie może wywołać niepożądane reakcje na anodzie, takie jak ewolucja tlenu. Reakcje te prowadzą do tworzenia cząstek nieutleniających, które nie przyczyniają się do dalszej degradacji wenlafaksyny.

Aby ocenić tę wartość progową, powtórzono eksperymenty degradacji, stosując gęstość prądu 5, 10 i 25 mA/cm², używając roztworu 25 ppm wenlafaksyny w 0,1 M Na₂SO₄ o pH 7. Najwyższą degradację (45,5%) zaobserwowano w eksperymencie przeprowadzonym przy 25 mA/cm². Zastosowanie gęstości prądu 5 i 10 mA/cm² skutkowało niższą wydajnością degradacji, odpowiednio 22% i 38,5%. Nie zaobserwowano znaczącej poprawy przy dalszym zwiększaniu gęstości prądu. Na podstawie tych wyników eksperymentalnych wybrano gęstość prądu 25 mA/cm² do kolejnych eksperymentów.

Zbadano również wpływ stężenia wenlafaksyny na wydajność degradacji. Zastosowano dwa różne stężenia początkowe, 25 ppm i 1 ppm, podczas gdy inne warunki eksperymentalne utrzymano na ich wcześniej zoptymalizowanych wartościach. Po 60 minutach wydajność usuwania wynosiła 45,5% dla 25 ppm i 54,5% dla 1 ppm. Niższą wydajność przy 25 ppm można wyjaśnić uwzględniając, że przy ustalonych warunkach operacyjnych ilość reaktywnych cząstek pozostaje prawie stała, podczas gdy stężenie związku organicznego jest wyższe i dlatego wymaga dłuższego czasu do osiągnięcia tego samego poziomu degradacji. Ponadto stężenie produktów transformacji również wzrasta. W rezultacie konkurencja między wenlafaksyną a jej pośrednikami o reakcję z cząstkami rodnikowymi staje się bardziej intensywna.

pH roztworu elektrolitu jest kluczowym czynnikiem w degradacji elektrochemicznej, ponieważ ścieki często wykazują różne wartości pH. Badania wpływu pH dały niespójne wyniki, co podkreśla jego złożoną rolę. pH może wpływać zarówno na zachowanie zanieczyszczeń, jak i na generowanie reaktywnych cząstek, ale może również sprzyjać tworzeniu cząstek, które wygaszają ich aktywność. W tym badaniu monitorowano degradację wenlafaksyny w czasie przy trzech różnych wartościach pH roztworu elektrolitu: 5, 7 i 9. Eksperyment przeprowadzono przy użyciu roztworu wenlafaksyny o stężeniu 1 ppm, w 0,1 M Na₂SO₄, przy zastosowaniu gęstości prądu 25 mA/cm². Po 60 minutach elektrolizy zaobserwowano niewielką poprawę wydajności degradacji przy pH 9 (59%), prawdopodobnie ze względu na zwiększone tworzenie rodników •OH sprzyjające wyższemu stężeniu jonów OH⁻. Chociaż wyższe wartości pH (np. 10-11) mogłyby dodatkowo zwiększyć degradację, badanie skupiło się na warunkach typowych dla zakresu pH ścieków.

Krzywa degradacji dla dłuższego czasu elektrolizy została wyprowadzona przy zastosowaniu zoptymalizowanych warunków elektrolizy. Szczególnie użyto stężenia wenlafaksyny 25 ppm, aby zapewnić zauważalne stężenie produktów degradacji, co pozwoliło na ich identyfikację przez LC-MS. Eksperyment powtórzono trzy razy i osiągnięto godną uwagi precyzję dzięki powtarzalności stanu powierzchni platyny (współczynniki zmienności wahały się od 1,04 do 9,77%). Osiągnięto wysoką wydajność degradacji wenlafaksyny wynoszącą 94%. Proces degradacji przebiegał zgodnie z modelem kinetycznym pierwszego rzędu ze stałą szybkości i czasem połowicznym odpowiednio 0,0084 min⁻¹ i 82,52 min.

Warto zauważyć, że krótsze czasy degradacji z wysoką wydajnością degradacji są raportowane i osiągane przez dodanie jonów chlorkowych do roztworu elektrolitu. Dodatkowo, warunki pracy w tych badaniach obejmowały kwaśne pH i wysokie gęstości prądu. W przeciwieństwie do tego, metoda zaproponowana tutaj działa w łagodniejszych warunkach i, co ważne, nie opiera się na akceleratorach takich jak chlorek, które nieuchronnie prowadzą do powstawania niebezpiecznych produktów ubocznych.

Przeprowadzono eksperymenty LC-DAD w celu monitorowania ścieżki degradacji wenlafaksyny w czasie w różnych warunkach elektrolizy. Optymalną degradację zaobserwowano przy następujących parametrach eksperymentalnych: pH 9; 0,1 M roztwór Na₂SO₄; gęstość prądu 25 mA/cm². Ze względu na ograniczenia czasu retencji i widm UV, do ostatecznej identyfikacji składników w złożonych matrycach, szczególnie dla nieznanych związków, wymagane były dalsze techniki analityczne. Dlatego przeprowadzono badanie LC-MS leku i jego produktów degradacji przy użyciu niskiej i wysokiej rozdzielczości. Degradację elektrochemiczną osiągnięto w zoptymalizowanych warunkach eksperymentalnych przy stężeniu leku 25 ppm. Ponadto przeprowadzono eksperymenty CID-MSⁿ w celu wyjaśnienia ścieżek fragmentacji produktów transformacji i uzyskania dalszych informacji strukturalnych.

Skład mieszanin degradacji wenlafaksyny wyjaśniono za pomocą chromatografii cieczowej-jonizacji elektrorozpylającej-spektrometrii masowej orbitrap (LC-ESI-Orbitrap-MS). Chociaż początkowo uzyskano chromatogramy całkowitego prądu jonowego (TIC), ich ograniczenia interpretacyjne, ze względu na nakładanie się jonów współwymywanych, wymagały zastosowania chromatogramów wyodrębnionych jonów (XIC). XIC selektywnie wyświetlały intensywności jonów w wąskim oknie stosunku masy do ładunku [M+H]⁺ ± 5,0 mDa, co umożliwiło identyfikację poszczególnych związków, w tym produktów transformacji o niskiej zawartości, i zminimalizowało zakłócenia sygnału. Metodę tę zastosowano do mieszanin degradacji wenlafaksyny w różnych czasach i umożliwiła separację produktów.

Wszystkie piki chromatograficzne zostały zidentyfikowane poprzez dokładne pomiary masy, co umożliwiło określenie wzorów cząsteczkowych i interpretację danych MSⁿ w połączeniu z porównaniami literaturowymi. Badania fragmentacji oparte na dysocjacji indukowanej zderzeniami (CID) przeprowadzono dla każdego zidentyfikowanego produktu, co pozwoliło potwierdzić ich tożsamość na podstawie analizy ich odpowiednich ścieżek fragmentacji. Dane chromatograficzne i spektrometrii masowej dla związków zidentyfikowanych w mieszaninie degradacji zostały podsumowane. Tabela zawiera czasy retencji, wzory cząsteczkowe, dokładne i dokładne wartości m/z, powiązane błędy masy i główne fragmenty jonów [M+H]⁺ dla każdego związku. Warto zauważyć, że błędy masy dla dokładnych wartości masy były konsekwentnie poniżej 1,6 ppm, co świadczy o dobrej dokładności masy.

Dane MSⁿ uzyskane przy użyciu analizatora pułapki jonowej liniowej (LIT) z CID potwierdziły tożsamość związków i ułatwiły jednoznaczną elucydację strukturalną. Wyniki te są zgodne z doniesieniami literaturowymi dotyczącymi degradacji wenlafaksyny, w szczególności procesów degradacji fotochemicznej i degradacji elektrochemicznej przy użyciu elektrody z diamentu domieszkowanego borem. Zidentyfikowano dziesięć głównych pośrednich produktów transformacji. Wśród nich były dwa izomery o dokładnym stosunku m/z 276,1958 (V276a i V276b) i trzy izomery o dokładnym stosunku m/z 294,2064 (V294a, V294b i V294c). Same dokładne pomiary masy nie mogły rozróżnić między tymi izomerami, ponieważ dostarczają one tylko informacji o wzorze cząsteczkowym. Dlatego przeprowadzono badania fragmentacji, izolując piki chromatograficzne odpowiadające każdemu zidentyfikowanemu produktowi.

Produkty degradacji wenlafaksyny obejmują dwa izomery o dokładnej wartości m/z 276,1958 (V276a i V276b, C₁₇H₂₅NO₂⁺), wymywane odpowiednio przy 8,80 i 9,48 min. Różnica masy 2 Da od m/z 278 (wenlafaksyna) była zgodna z tworzeniem wiązania podwójnego albo w pierścieniu cykloheksanu (izomer a), albo w łańcuchu węglowym (izomer b).

Widmo MS² izomeru V276a wykazało, że fragmentacja jonu molekularnego dała dwa jony fragmentacyjne przy m/z 258 i 213, odpowiadające strukturom C₁₇H₂₃NO⁺ i C₁₅H₁₇O⁺. Jon przy m/z 258 pochodził z V276a poprzez dehydratację i następujące tworzenie drugiego wiązania podwójnego w pierścieniu cykloheksanu. Jon przy m/z 213 powstał z fragmentu m/z 258 poprzez utratę grupy dimetyloaminowej -NC₂H₇ (-45 Da).

Widmo MS² izomeru V276b również wykazało, że fragmentacja jonu molekularnego dawała jony fragmentacyjne przy m/z 258 i 215, odpowiadające wzory cząsteczkowym C₁₇H₂₃NO⁺ i C₁₅H₁₉O⁺. Podobnie jak w przypadku izomeru V276a, jon przy m/z 258 został wygenerowany przez dehydratację V276b, wraz z wprowadzeniem sprzężonego wiązania podwójnego i przekształceniem cykloheksanu w cykloheksen. Fragment przy m/z 215 został wygenerowany z m/z 258 przez utratę grupy aminowej -NC₂H₅ (-43 Da).

Struktury chemiczne fragmentów przy m/z 213 i 215, przedstawione w widmach MS² dwóch izomerów, potwierdziły obecność wiązania podwójnego w różnych regionach cząsteczki.

Zgodnie z wynikami przedstawionymi przez Santoke i in., zidentyfikowano kilka hydroksylowanych pochodnych wenlafaksyny, wynikających z ataku rodników HO•/O₂•− na cząsteczkę wenlafaksyny. Pięć izomerów, o wzorze cząsteczkowym C₁₇H₂₈NO₃⁺ (m/z 294,2063), wykryto przy czasach retencji od 8,49 do 9,47 min, wskazując na monohydroksylację w różnych pozycjach związku macierzystego. Dwa z tych izomerów były obecne w ilościach śladowych, co wykluczyło fragmentację MSⁿ do elucydacji strukturalnej, i dlatego zostały wykluczone z dalszej analizy.

Struktura wenlafaksyny zapewnia wiele potencjalnych miejsc mono-utleniania, które mogą skutkować produktami o różnej polarności, w tym hydroksylację pierścienia aromatycznego lub cykloheksanu, a także węgla metylenowego lub grup metylowych przyłączonych do fragmentu aminowego. Badania MSⁿ ujawniły wyraźne ścieżki fragmentacji dla trzech głównych izomerów, V294a, V294b i V294c, i pozwoliły zaproponować możliwe pozycje ataku -OH.

Fragmentacja MS² V294a i V294b wykazała utratę H₂O (m/z 276), cechę obserwowaną również w widmie wenlafaksyny, sugerując hydroksylację na pierścieniu cykloheksanu lub grupie metylenowej przyległej do azotu. Fragmentacja MS³ jonu m/z 276 dała fragment przy m/z 231, zgodny ze zmodyfikowanym pierścieniem cykloheksanu zawierającym dodatkowe wiązanie podwójne w porównaniu z fragmentem m/z 215 wenlafaksyny. Fragment przy m/z 213 dodatkowo poparł obecność tego dodatkowego wiązania podwójnego w pierścieniu cykloheksanu. Jednak dokładna pozycja grupy -OH w obrębie pierścienia cykloheksanu nie mogła być określona dla tych dwóch izomerów.

Dla izomeru V294c (C₁₇H₂₈NO₃⁺, m/z 294,2053), jego czas retencji (RT 9,47 min, bezpośrednio po wenlafaksynie), różnica masy 16 Da w porównaniu z wenlafaksyną i skład pierwiastkowy wyprowadzony z dokładnych pomiarów masy sugerowały tworzenie produktu wynikającego z ataku rodnika -OH na węgiel metylenowy lub pierścień aromatyczny. Fragmenty przy m/z 276 i 215 (obserwowane w wenlafaksynie) i fragment przy m/z 233 (wynikający z utraty grupy aminowej -NC₂H₇, -45 Da) były zgodne z monohydroksylacją pierścienia aromatycznego, prawdopodobnie w pozycji orto- lub para- względem grupy metoksylowej.

Elektrochemiczna degradacja wenlafaksyny może przebiegać poprzez kombinację reakcji dehydrogenacji i hydroksylacji. Hipotezę tę poparło zidentyfikowanie produktu transformacji o jonie molekularnym przy m/z 292,1903, zgodnym z protonowanym wzorem cząsteczkowym C₁₇H₂₆O₃N⁺. Sugerowało to wprowadzenie atomu tlenu, a następnie dehydrogenację. Obecność jonów fragmentacyjnych przy m/z 274, 256 i 229, które są o dwie jednostki masy niższe niż odpowiednie fragmenty obserwowane w V276a (m/z 276, 258 i 231), wskazywała na tworzenie dodatkowego wiązania podwójnego w obrębie pierścienia cykloheksanu.

Ponadto zidentyfikowano N-desmetylowenlafaksynę, produkt degradacji wynikający z N-demetylacji wenlafaksyny, w chromatogramie masowym przy czasie retencji 8,65 min. Ten produkt wykazywał dokładne m/z 264,1958 i wzór cząsteczkowy C₁₆H₂₆O₂N⁺. Fragmentacja MSⁿ jonu molekularnego dała jon fragmentacyjny przy m/z 246 (C₁₆H₂₃NO⁺), odpowiadający neutralnej utracie 18 Da (H₂O). Obecność powtarzającego się piku przy m/z 215 (C₁₅H₁₉O⁺) poparła proponowaną strukturę.

Budując na charakterystyce produktów degradacji wenlafaksyny, badanie to zidentyfikowało V196, związek wcześniej raportowany w procesach degradacji elektrochemicznej wenlafaksyny przy pH 9. V196 wykryto przy czasie retencji 4,46 min i m/z 196,1332.

Fragmentacja MS² jonu molekularnego przy m/z 196 dała wyraźny pik przy m/z 178, odpowiadający fragmentowi C₁₁H₁₆NO⁺. Ten fragment, również obserwowany w fragmentacji izomeru V276a, wynika z utraty cząsteczki wody (18 Da) z jonu prekursorowego. Dodatkowo zaobserwowano fragmenty przy m/z 135 i 147, wcześniej zidentyfikowane w widmach MSⁿ wenlafaksyny z ustalonymi strukturami, co dodatkowo poparło proponowaną strukturę V196. Fragment przy m/z 163 (C₁₀H₁₃ON⁺), przypisywalny do N- lub O-demetylacji jonu m/z 178, był również zgodny z hipotetyczną strukturą V196.

V194, charakteryzujący się dokładnym m/z 194,1176, został zidentyfikowany jako kluczowy produkt degradacji w tym badaniu. Fragmentacja V194 dała trzy wyraźne jony fragmentacyjne przy m/z 58, 121 i 149. Pik przy m/z 121, również obserwowany w widmie MS⁴ wenlafaksyny, przypisano do jonu C₈H₉O⁺. Pik przy m/z 58, zgodny z danymi literaturowymi, odpowiada jonowi dimetylo-metyleno-amonowemu (C₃NH₈⁺), charakterystycznemu fragmentowi wenlafaksyny i jej produktów degradacji, który wykazywał stabilność podczas fragmentacji. Jon fragmentacyjny przy m/z 149, pasujący do wzoru cząsteczkowego C₉H₉O₂⁺, powstaje z utraty fragmentu dimetyloaminy (-45 Da) z cząsteczki V194. Obecność tych jonów fragmentacyjnych, szczególnie tego przy m/z 149, dostarczyła silnego wsparcia dla proponowanej struktury V194.

Odnośnie do ścieżek tworzenia tych produktów transformacji, w badanym procesie degradacji, po 7 godzinach degradacji, wenlafaksyna i produkty transformacji zostały zredukowane o ponad 94% początkowego stężenia. Tworzenie tych produktów transformacji zachodziło za pośrednictwem specyficznych mechanizmów reakcji, w tym demetylacji, dehydratacji, hydroksylacji pierścienia aromatycznego, hydroksylacji i skracania pierścieni cykloheksanu oraz modyfikacji grupy azotowej. Co godne uwagi, degradacja elektrochemiczna przy pH 9 dała trzy różne produkty mono-hydroksylowane (V294a, b, c), zidentyfikowane w mieszaninie degradacji z m/z 294,2064, wynikające z hydroksylacji pierścienia aromatycznego i cykloheksanu. Produkty te były wcześniej raportowane tylko w fotodegradacji i zaawansowanych procesach utleniania. Inne reakcje prowadziły do produktów o niższej masie cząsteczkowej, przy czym V194 był najmniejszy. Demetylacja, dehydratacja i następujące hydroksylacje/utleniania stanowią kluczowe etapy w procesie transformacji.

Reakcje degradacji elektrochemicznej są kluczowe nie tylko dla skuteczności procesów dekontaminacji i usuwania, ale także dla generowania produktów transformacji, które mogą również tworzyć się w środowiskach naturalnych poprzez procesy biotyczne i abiotyczne. Ocena niezawodności oczyszczania zanieczyszczeń wymaga oceny natury tych produktów, ponieważ mogą one wykazywać wyższą toksyczność niż związek macierzysty. W związku z tym głównym celem tego badania było określenie pozostałej toksyczności produktów transformacji wenlafaksyny generowanych podczas oczyszczania elektrochemicznego.

Jak bezpiecznie ocenić toksyczność produktów degradacji?

Elektrochemiczna degradacja farmaceutyków może dawać produkty transformacji o różnej toksyczności w porównaniu ze związkiem macierzystym. W związku z tym ocena ekotoksyczności tych produktów degradacji przy użyciu metod in vivo, in vitro lub in silico jest kluczowa. Testy in vivo obejmują badania na żywych zwierzętach, podczas gdy testy in vitro wykorzystują linie komórkowe. Jednak ze względu na ograniczoną dostępność komercyjnych standardów, te podejścia są często niewykonalne do oceny ekotoksyczności produktów degradacji farmaceutyków, takich jak wenlafaksyna. Analiza in silico wykorzystuje algorytmy obliczeniowe do przewidywania właściwości substancji, takich jak toksyczność, na podstawie danych strukturalnych i eksperymentalnych analogicznych związków.

Dobrze ugruntowanym modelem jest oprogramowanie ECOSAR (Ecological Structure Activity Relationship). ECOSAR szacuje toksyczność związków macierzystych i produktów transformacji, obliczając LC₅₀, definiowane jako mediana stężenia śmiertelnego (mg/L) powodującego 50% śmiertelności u organizmów testowych. Przy użyciu ECOSAR oceniono ekotoksyczność produktów degradacji wenlafaksyny, które zostały zidentyfikowane przez LC-MS i LC-MSⁿ. Struktury chemiczne wenlafaksyny i jej głównych produktów degradacji zostały utworzone za pomocą ChemDraw Ultra 12.0, a następnie obliczono wartości LC₅₀ dla Daphnia magna.

Analiza porównawcza struktur molekularnych wykazała dominującą tendencję: elektrochemiczna degradacja wenlafaksyny tworzy produkty o zmniejszonej toksyczności w porównaniu ze związkiem macierzystym.

Wenlafaksyna (LC₅₀ 11,1 mg/L), o złożonej strukturze bicyklicznej i grupie trzeciorzędowej aminy, wykazywała umiarkowaną toksyczność, prawdopodobnie ze względu na cechy strukturalne, które ułatwiają interakcje z celami biologicznymi. Proces degradacji generalnie dawał związki o zmniejszonej ekotoksyczności. Jednak V276a (LC₅₀ 7,8 mg/L) wyróżnia się jako wyjątek, ponieważ wykazywał nieco wyższą toksyczność niż wenlafaksyna. W szczególności związki V194 (LC₅₀ 423 mg/L) i V196 (LC₅₀ 1,57 × 10³ mg/L) wykazały najistotniejsze zmniejszenie toksyczności. Przypisano to ich uproszczonym strukturom aromatycznym i zwiększonemu utlenieniu, które zwiększyło polarność i rozpuszczalność w wodzie. W rezultacie potencjał bioakumulacji został zmniejszony. Różnica w toksyczności między V194 a V196, podkreślona przez wzrost LC₅₀ po nasyceniu wiązania podwójnego (V194 do V196), wskazywała, że obecność wiązania podwójnego znacząco przyczynia się do wyższej toksyczności w produktach o niższej masie cząsteczkowej.

Inne produkty degradacji, takie jak N-desmetylowenlafaksyna (LC₅₀ 14,9 mg/L), V276b (LC₅₀ 16,8 mg/L), V278 (LC₅₀ 25,2 mg/L) i V294 a, b, c (LC₅₀ 28,2-46,7 mg/L), również wykazały niższą toksyczność niż wenlafaksyna, prawdopodobnie ze względu na zwiększoną hydroksylację i degradację strukturalną, co zwiększa polarność i ułatwia eliminację związku.

Przewaga mniej toksycznych związków, wynikająca ze zwiększonego utleniania, hydroksylacji i uproszczenia strukturalnego, podkreśla skuteczność degradacji elektrochemicznej w zmniejszaniu wpływu wenlafaksyny na środowisko. Zgodnie z ustalonymi zasadami toksykologii środowiskowej, gdzie zwiększona polarność i uproszczenie strukturalne minimalizują ekotoksyczność związków organicznych, obserwacja tego badania jest zgodna z wcześniejszymi badaniami, takimi jak Voigt i in., pokazującymi, że zwiększone podstawniki grup hydroksylowych zmniejszają ekotoksyczność. Ta zgodność podkreśla potencjał metody do zrównoważonego zarządzania odpadami farmaceutycznymi.

Badanie wykazało potencjał zaawansowanych procesów utleniania elektrochemicznego opartych na elektrolizie galwanostatycznej do oczyszczania wody z wenlafaksyny, leku niedawno włączonego do listy obserwacyjnej UE ze względu na jego powszechne występowanie i trwałość. Elektroda platynowa okazała się odpowiednia do tego celu i stanowi dobrą alternatywę dla powszechnie stosowanej elektrody BDD. Oferuje ona zaletę dobrze ustalonej procedury czyszczenia, zapewniającej wysoką powtarzalność stanu powierzchni, oraz jest stabilna i trwała przez długie okresy użytkowania. Elektrochemiczna degradacja wenlafaksyny zachodziła poprzez pośrednie utlenianie przez wysoce reaktywne cząstki, w szczególności rodniki hydroksylowe i siarczanowe, które były elektrochemicznie generowane na anodzie Pt podczas elektrolizy.

Metoda HPLC-UV została użyta do wyprowadzenia krzywej degradacji wenlafaksyny. Zoptymalizowano warunki eksperymentalne dla elektrolizy dotyczące pH elektrolitu i gęstości prądu. Wyższą wydajność degradacji wenlafaksyny zaobserwowano w 0,1 M roztworze Na₂SO₄ o pH 9, stosując gęstość prądu 25 mA/cm². Dodatkowo zaobserwowano zależną od stężenia wydajność degradacji, z wyższą wydajnością przy niższych stężeniach wenlafaksyny, zgodnie z wyprowadzoną kinetyką pierwszego rzędu. W dłuższych skalach czasowych, po 7 godzinach elektrolizy, degradacja wenlafaksyny okazała się zadowalająca (94%), nawet przy stężeniu 25 ppm.

To badanie skupiło się na identyfikacji pośrednich produktów transformacji wenlafaksyny za pomocą LC-ESI-MSⁿ i ocenie ich wpływu na środowisko. Produkty transformacji powstają głównie poprzez demetylację, dehydratację oraz hydroksylację/skracanie pierścieni aromatycznych i cykloheksanu. W szczególności reakcje hydroksylacji pierścieni aromatycznych i cykloheksanu prowadziły do trzech różnych produktów monohydroksylacji, które były wcześniej identyfikowane tylko dla procesów fotodegradacji. Inne reakcje skutkowały produktami o niższej masie cząsteczkowej, w tym N-desmetylowenlafaksyną i dwoma izomerami produktu V276.

Wreszcie, ocena ekotoksyczności in silico przy użyciu ECOSAR wykazała, że prawie wszystkie pośredniki były mniej toksyczne niż wenlafaksyna. Ponadto najbardziej obfity produkt degradacji (V194) wykazywał najniższą toksyczność. W konsekwencji proponowana metoda degradacji elektrochemicznej do usuwania wenlafaksyny z zanieczyszczonej wody może być uznana za zrównoważoną środowiskowo.

Podsumowanie

Przedstawione badanie koncentruje się na innowacyjnej metodzie degradacji wenlafaksyny w wodzie przy użyciu elektrod platynowych. Wenlafaksyna, powszechnie stosowany lek przeciwdepresyjny, stanowi istotne zagrożenie dla środowiska wodnego ze względu na niską biodegradowalność i wysoką trwałość. Zastosowana metoda elektrochemicznej degradacji z wykorzystaniem elektrod platynowych okazała się skuteczną alternatywą dla tradycyjnych metod oczyszczania. W optymalnych warunkach (pH 9, gęstość prądu 25 mA/cm²) osiągnięto 94% degradację wenlafaksyny po 7 godzinach elektrolizy. Badania wykazały, że proces degradacji zachodzi głównie poprzez pośrednie utlenianie z udziałem rodników hydroksylowych. Zidentyfikowano szereg produktów degradacji, które w większości charakteryzowały się niższą toksycznością niż związek macierzysty. Metoda ta stanowi ekologiczne i zrównoważone rozwiązanie problemu zanieczyszczenia wód farmaceutykami.