吡咯在氯消毒中反应机制的理论研究

Reaction Mechanisms of Pyrrole during Chlorination: A Computational Study

摘要: 含氮芳杂环卤代消毒副产物作为一种新兴的饮用水消毒副产物，其毒性显著高于大多数的传统脂肪族消毒副产物，且在水环境中检出率高，已成为饮用水安全领域关注的焦点。然而，关于它们的形成机制和前体却知之甚少。因此，本研究采用量子化学计算方法，探究了吡咯在氯消毒中的反应机制和各种可能的反应产物。考虑到水体中受海水入侵等影响下溴离子的存在，本研究同时关注了前体与次氯酸和次溴酸的反应。在这一过程中，同时探究了取代和加成两种可能的反应机制，并得出产物最可能的形成路径。研究结果表明，吡咯所有的氯/溴化反应中，S_EAr反应是最有利的反应，取代位点的顺序是C2、C5、C3和C4，分别生成2-氯/溴-吡咯、2,5-二氯/溴-吡咯、2,3,5-三氯/溴-吡咯和2,3,4,5-四氯/溴-吡咯，其k_est-rls分别为~10⁴/10⁶、10⁴/10⁶、10/10和10²/10³ M⁻¹ s⁻¹。其中，2,3,5-三溴-吡咯和2,3,4,5-四溴-吡咯和实验检测到的三溴吡咯和四溴吡咯一致。值得注意的是，一氯/溴化和二氯/溴化反应发生的很快，而三氯/溴化和四氯/溴化反应相对慢一些，且溴化反应在动力学上似乎比氯化反应更可行，其k_est-rls值比氯化反应高出1~2个数量级。因此，在氯化和溴化反应中，吡咯C位点是反应的活性位点，并通过S_EAr反应机制形成最终产物2,3,4,5-四氯/溴-吡咯。以上研究结果表明，吡咯很可能是卤代吡咯的潜在前体。

Abstract: Aromatic nitrogenous(N-) heterocyclic halogenated disinfection byproducts (DBPs), as emerging DBPs in drinking water, exhibit significantly higher toxicity than most traditional aliphatic disinfection byproducts and are frequently detected in water environments, thereby becoming the focus in the field of drinking water safety. Therefore, this study employs quantum chemical computational methods to investigate the reaction mechanisms of pyrrole during chlorination and the various potential reaction products. Considering the presence of bromide ions in water bodies due to seawater intrusion and other influences, this study also focuses on the reactions of precursors with hypochlorous acid and hypobromous acid. During this process, both substitution and addition mechanisms were simultaneously investigated, and the most probable formation pathways for the products were determined. In all chlorination/bromination reactions of pyrrole, the S_EAr reaction remains the most favorable, with the order of substitution sites being C2, C5, C3, and C4, producing 2-Cl/Br-pyrrole, 2,5-di-Cl/Br-pyrrole, 2,3,5-tri-Cl/Br-pyrrole, and 2,3,4,5-tetra-Cl/Br-pyrrole, respectively. Their k_est-rls are approximately 10⁴/10⁶, 10⁴/10⁶, 10/10, and 10²/10³ M⁻¹ s⁻¹. Among the products, 2,3,5-tri-Br-pyrrole and 2,3,4,5-tetra-Br-pyrrole are consistent with the tribromopyrrole and tetrabromopyrrole detected in the experiment. It is noteworthy that the mono-chlorination/bromination and di-chlorination/bromination reactions occur rapidly, while the tri-chlorination/bromination and tetra-chlorination/bromination reactions are relatively slower. Moreover, bromination reactions seem to be more feasible kinetically than chlorination reactions, with their k_est-rls values being 1~2 orders of magnitude higher than those of chlorination reactions. Therefore, in chlorination and bromination reactions, the C sites of pyrrole are the active sites for the reaction, and the final products 2,3,4,5-tetra-Cl/Br-pyrrole are formed through the S_EAr reaction mechanism. Given the reported presence of tribromopyrrole and tetrabromopyrrole in actual water bodies, the above results suggest that pyrrole may be a potential precursor of halogenated pyrrole.

1. 引言

水资源是人类赖以生存的基本条件，对维持人体生命至关重要。然而，随着环境污染以及气候变化的影响，水体中滋生出的病原微生物越来越多，对人类的健康构成严重威胁。因此，为了保障饮用水的卫生安全，预防疾病的传播，对水资源进行消毒处理尤为重要。消毒过程中常用的消毒剂主要包括氯、二氧化氯、臭氧和紫外线等[1]。其中，氯消毒由于成本较低和效果稳定，成为了全球最广泛使用的饮用水消毒剂[2]。研究报道，水资源的处理中应用氯消毒能有效去除大多数浮游细菌[3] [4]，并且对限制异养微生物的生长具有显著作用。然而，尽管氯消毒剂可以有效地杀死饮用水中的有害微生物，但也是强大的氧化剂，氧化自然存在于大多数水源(河流、湖泊和许多地下水)中的有机物和人为污染物产生一系列的消毒副产物，这些消毒副产物会对人体健康产生不良影响[5]-[8]。

目前，超过700多种消毒副产物被确认和一些小分子如三卤甲烷和卤乙酸被监管[9] [10]，流行病学研究[11]和最近的细胞毒性研究表明[12]，在饮用水处理过程中，不到20%氯转化为已识别的卤化副产物，未表征的消毒副产物以及人为污染物占总细胞毒性超过80%。为了识别特征较差的高摩尔量消毒副产物中的毒性驱动因素，新兴的芳香族消毒副产物特别是含氮芳杂环消毒副产物由于其比目前调控的消毒副产物的细胞毒性高和高检出率，已成为饮用水安全领域的焦点[13]-[15]。含氮芳香族消毒副产物的前体在水中含量丰富，它们是构成细胞质量中的有机氮[16]和水中溶解的有机氮(DON)的主要成分[17] [18]，同时也是水中可溶性微生物产物的重要成分。这些前体包括组氨酸[19]和色氨酸[20]，它们具有含氮芳杂环结构，在生物体内参与多种代谢过程，是水中重要的有机氮源。另外，由嘌呤和嘧啶环组成的碱基[21] [22]，也是水中可溶性微生物产物的重要成分。然而，还有一些含氮芳杂环卤代消毒副产物的前体仍未知。

先前的研究中，实验人员在氯化海水废水中检测到一组含氮芳杂环卤代消毒副产物–卤代吡咯[23]，包括三溴吡咯和四溴吡咯等，如图1所示。实验测出在24种芳香族和脂肪族消毒副产物中，四溴吡咯表现出最高的发育毒性。此外，根据EC₅₀值，四溴吡咯分别比溴仿和溴乙酸的发育毒性高460倍和805倍。该结果说明卤代吡咯具有极高的毒性，可能对人体健康和海洋生态系统环境造成负面影响。然而，对于卤代吡咯的前体和形成机制却知之甚少。吡咯作为最简单的五元含氮芳杂环化合物，在农药生产、材料合成和化妆品制造等各个领域有着广泛的应用，因此在水环境中的检出频率较高[24]。这意味着吡咯在氯消毒中可能转化为卤代吡咯。在这一过程中，溴化物普遍存在，在氧化剂如次氯酸的作用下，被氧化成游离溴[25]。

Figure 1. Detection and identification of halogenated pyrrole

图1. 检测与鉴定的卤代吡咯

因此，为了进一步探究卤代芳杂环消毒副产物的形成过程，本研究选择以吡咯为对象，系统地探究了它们在氯消毒中与次氯酸和次溴酸的反应位点、反应机制和产物。并对吡咯在氯化和溴化中的反应进行比较。本研究的发现有助于更好地理解含氮芳杂环卤代消毒副产物的形成机制和前体。

2. 计算方法

本研究所有量子化学计算均使用GAUSSIAN-16程序完成[26]。使用了M06-2X(D3)泛函[27]以及6-311+G(d)基组[28]和隐式SMD溶剂模型[29]来研究吡咯的氯化及溴化反应。在氯化和溴化过程中，对各个氯化反应的过渡态、反应物和产物进行几何全优化，并用基组cc-pVTZ和aug-cc-pVTZ分别对中性形式和阴离子形式的化合物进行了单点能的校正，从而提升数据的精度[30] [31]。同时，对各驻点在同样的水平下也进行了振动频率的计算，以此确认所有的几何构型都是不含虚频的稳定点或者有且只存在一个虚频的过渡态，并通过内禀反应坐标(IRC)确定所得到的每一个过渡态都是相对应的反应物和产物之间的能量最低路径[32]。每个基元反应在298 K和1 atm下的活化自由能(∆G^≠)，即过渡态优化后的能量与反应物优化的能量差，具体如公式(2-1)所示。反应焓变(∆H)，即产物优化后的能量与反应物优化的能量差，具体的公式(2-2)所示：

ΔG^≠ = G (transition state) – G (reactant complex) (2-1)

ΔH = H (product complex) – H (reactant complex) (2-2)

根据过渡态理论(TST) [33] [34]，基于Eyring-Polanyi方程(2-3)，估算了由反应物直接生成产物的基元反应的近似反应速率常数，如公式(2-3)所示：

k_est = (k_B T/h) exp (−∆G^≠/RT) (2-3)

公式(2-3)中，k_B是玻尔兹曼常数，T是温度，h是普朗克常数，R是气体摩尔常数，ΔG^≠是相对于反应物络合物的活化自由能。

鉴于一些芳香族化合物的阴离子形式虽然仅占一小部分，但在氯化反应中具有很高反应活性，因此需要考虑它的贡献[35]。化合物的估计表观速率常数(k_obs-est)是根据公式(2-4)计算得到的。

k_obs-est (compound) = Σk_obs-est(i) (2-4)

k_obs-est (N(i)/A(i)) = k_est (N(i)/A(i))·p (N(i)/A(i) (2-5)

其中k_obs-est (N(i))和k_obs-est (A(i))是根据公式(2-5)计算出的化合物(i)中性和阴离子形式的估计表观速率常数。p(N(i))/p(A(i))是中性或阴离子形式的占比。

3. 结果与讨论

3.1. 吡咯的氯化反应

吡咯的初始氯化作用。计算得到的吡咯pK_a值为16.5，表明pH = 7时，中性形式占优势，阴离子形式的占比p(A) = 3.2 × 10⁻¹⁰。考虑到吡咯结构的对称性，研究了反应位点N1、C2和C3。如图2所示，是关于次氯酸与吡咯中性和阴离子形式各个位点反应的过渡态结构。

Figure 2. Structures of transition states and important geometric parameters calculated at the M06-2X(D3)/6-311+G(d) or M06-2X(D3)/6-311G(d) levels for the chlorination reactions of pyrrole

图2. 根据吡咯的氯化反应在M06-2X/6-311+G(d)或M06-2X/6-311G(d)水平计算的过渡态结构和重要几何参数

如图2所示，次氯酸中的氯原子可以作为亲电试剂进攻吡咯环的π电子体系，形成新的C-Cl键，除了中性吡咯N1位点发生的协同反应，在新键形成的同时伴随着旧键(C-H键)的断裂。观察次氯酸进攻吡咯环各个位点的过渡态结构，发现次氯酸进攻C位点时似乎位于相应位点的正上方，而进攻N1位点时则位于其斜上方。此外，过渡态中吡咯环的平面结构被破坏，尤其是被进攻的C位点发生轻微翘曲，以容纳新键(C-Cl键)的形成。在过渡态中，不难发现新形成的键(如C-Cl键)部分成键，键长介于典型单键和未成键距离之间。同时次氯酸中的O-Cl和O-H键伸长，预示断裂倾向。根据过渡态结构，可以计算出该反应中连接反应物和产物的最小能量路径，通过过渡态和反应物以及产物和反应物之间的能量差分别计算出各个位点发生氯化反应的ΔG^≠和ΔH值，相关数据如表1所示。

Table 1. ΔG^≠/ΔH (in kcal/mol) in the first step of chlorination at all sites for the neutral and anionic pyrrole

表1. 中性和阴离子形式的吡咯所有位点氯化反应第一步的ΔG^≠/ΔH(单位kcal/mol)

Reactive site	Neutral		Anion
	ΔG^≠	ΔH	ΔG^≠	ΔH
N1	28.6	−15.8	1.5	−20.2
C2	11.0	−12.0	1.4	−42.0
C3	11.7	−6.9	1.3	−36.4

从表1可知，吡咯阴离子形式下和次氯酸反应的ΔG^≠相较于其中性形式更低，ΔG^≠值在1.3~1.5 kcal/mol，说明次氯酸和吡咯阴离子形式反应的亲电性更强。然而，考虑到吡咯中性和阴离子形式的占比，计算出吡咯中性和阴离子形式在氯化反应中对k_obs-est值的贡献率，如表2所示。

Table 2. The estimated apparent rate constants (k_obs-est, in M⁻¹ s⁻¹) in the chlorination of each site for the neutral and anionic pyrrole and their contributions (c, %) to the k_obs-est of pyrrole

表2. 中性和阴离子形式的吡咯中每个位点发生氯化反应估算的表观速率常数(k_obs-est，单位M⁻¹ s⁻¹)以及对吡咯k_obs-est的贡献(c, %)

Reactive site	Neutral		Anion		pyrrole kobs-est
	kobs-est	c	kobs−est	c
N1	7.3 × 10^−^9	0%	3.2 × 10^−^1	100%	3.2 × 10^−^1
C2	5.7 × 10^4	100%	3.2 × 10^−^1	0%	5.8 × 10^4
C3	1.8 × 10^4	100%	3.2 × 10^−^1	0%	1.8 × 10^4

The pK_a value of N1-H is 16.5. c = $\frac{kalc\left(N\left(i\right)/A\left(i\right)\right) f\left(N\left(i\right)/A\left(i\right)\right)}{kobsest \left(pyrrole\right)}$ %.

由表2可知，吡咯N1位点的氯化反应是阴离子对k_obs-est值3.2 × 10⁻¹ M⁻¹ s⁻¹作主要贡献，尽管阴离子的占比很低，而C2和C3位点是吡咯中性形式对k_obs-est值5.8 × 10⁴和1.8 × 10⁴ M⁻¹ s⁻¹作主要贡献。从表中可以看出，吡咯C位点的氯化速率比N位点高~13个数量级。为了进一步探索吡咯的初始氯化反应，各个位点的氯化反应机制如图3所示。对于N1位点，主要经历阴离子的协同机制，即次氯酸中的Cl⁺进攻吡咯N1位点，直接生成中性产物的过程，其ΔG^≠值为1.5 kcal/mol。该反应的焓变值ΔH为−20.2 kcal/mol，说明次氯酸进攻吡咯N1位点的反应是放热反应，最终生成稳定产物1-氯-吡咯。对于C2和C3位点，初始σ-络合物阳离子，即2-氯，2-氢-吡咯和3-氯，3-氢-吡咯阳离子，由中性吡咯生成，ΔG^≠值分别为11.0和11.7 kcal/mol。由于芳香族化合物吡咯具有共振稳定性，即π电子在环上均匀分布，当亲电试剂次氯酸攻击吡咯环时，会破坏这种共振稳定性，形成局部化的σ-键，导致体系能量升高，稳定性下降。为了恢复芳香性，σ-络合物阳离子中间体可以通过脱质子反应重新形成芳香环。而σ-络合物阳离子中，正电荷定位于某个碳原子上，使其成为亲电中心，容易受到亲核试剂的攻击。

Figure 3. Initial chlorination of all the potential reaction sites in pyrrole by HOCl

图3. 吡咯所有潜在位点和次氯酸的初始氯化反应

因此，初始σ络合物阳离子不仅可以通过脱质子化来完成亲电取代反应，还可以与水分子进行羟基化反应来完成亲电加成反应，相关反应的过渡态如图4所示。σ-络合物阳离子发生脱质子的途径有两种，一种是N位点脱质子；另外一种是次氯酸进攻的C位点脱质子，从而完成经典的芳香族基团上的多步亲电取代(S_EAr)反应，该反应过程中σ-络合物阳离子的形成通常是限速步骤。羟化反应则是水中的OH^-进攻C正离子中间体，之后通过消除反应完成加成反应。

Figure 4. Transition states of deprotonation and hydroxylation of σ-complex cations formed after pyrrole was attacked by HOCl

图4. 吡咯被次氯酸进攻后形成的σ-络合物阳离子发生脱质子和羟化反应的过渡态

如图3所示，对于脱质子反应，2-氯，2-氢-吡咯和3-氯，3-氢-吡咯阳离子N1位点脱质子比C2/C3位点的更可行，k_est值分别为~10¹¹⁻¹³和10⁵⁻¹⁰s⁻¹。然而，由于N1释放H⁺的ΔH值分别为正值1~2 kcal/mol，而C2/C3释放的质子的ΔH值为负值−17~−10 kcal/mol。这表明，C2/C3位点发生脱质子生成的产物2/3-氯-吡咯是热力学首选产物。关于与水分子发生反应的羟化反应，C5和C2分别是2-氯，2-氢-吡咯和3-氯，3-氢-吡咯阳离子最强的反应位点，这与C5和C2 (0.650和0.347)位点分别是2-氯，2-氢-吡咯和3-氯，3-氢-吡咯阳离子所有位点中APT电荷最正相关联，如图5所示。

Figure 5. The APT charges of 2-Cl, 2-H-pyrrole cation and 3-Cl, 3-H-pyrrole cation

图5. 2-氯，2-氢吡咯阳离子和3-氯，3-氢吡咯阳离子的APT电荷

与脱质子相比，2-氯，2-氢-吡咯阳离子发生在C5位点的羟化反应k_est值和发生在C2位点脱质子的相近(~2 × 10⁵ vs. 6 × 10⁵)，羟化的产物2-氯，5-羟基,2,5-二氢-吡咯可以通过Cl⁻释放和脱质子反应转化为5-羟基-吡咯，整个羟化过程的k_est-rls值比脱质子的低3个数量级(~10² vs. 10⁵)。然而，3-氯，3-氢-吡咯阳离子发生在C2位点的羟化反应k_est值远远低于脱质子4~5个数量级(~10⁶ vs. 10^10-11)。

考虑到吡咯氯化反应的所有情况，可以发现吡咯的初始氯化S_EAr反应在动力学上比亲电加成反应更可行。此外，C2/C3位点的氯化比N1位点的氯化更有利。这说明取代产物2/3-氯-吡咯比加成产物5-羟基-吡咯更可能产生。根据2-氯-吡咯形成的k_est-rls值比3-氯-吡咯的更快，因此，可以推断出2-氯-吡咯是主要产物。

2-氯-吡咯的氯化。计算得到的2-氯-吡咯的pK_a值为12.4，比吡咯低~4，说明在pH = 7时，其阴离子形式的占比p (A)为3.2 × 10^-6。如图6所示，对于N1、C3、C4和C5位点的氯化，C5位点的k_obs-est值最高为~10⁴ M⁻¹ s⁻¹，ΔH值为-11.4 kcal/mol，说明2-氯-吡咯C5位点在所有位点中具有最高的反应活性，是动力学和热力学上最有利的中间体。该反应中，中性的2-氯-吡咯对k_obs-est值作主要贡献，生成阳离子中间体2,5-二氯，5-氢-吡咯。之后，2,5-二氯，5-氢-吡咯阳离子可以发生脱质子和羟化反应。在脱质子反应中，C5释放的质子的k_est值为1.7 × 10⁶ s⁻¹，生产2,5-二氯-吡咯。关于羟化反应，C2位点的k_est值在所有位点中最高，其APT电荷也最正为1.35。这一结果与吡咯初始氯化中涉及的羟化反应一致。因此，根据APT电荷可以判断出最可能的羟化位点。之后，羟基化产物2,5-二氯，2-羟基,5-氢-吡咯可以通过快速释放Cl⁻和C5位点脱质子转化为2-羟基，5-氯-吡咯，其k_est-rls值为~10⁻¹ s⁻¹。根据2,5-二氯-吡咯和2-羟基，5-氯-吡咯形成的k_est-rls值分别是~10⁴和10⁻¹ s⁻¹，从而得到2,5-二氯-吡咯是2-氯-吡咯最主要的氯化产物，且最可能的反应机制仍然是S_EAr反应。

Figure 6. Chlorination of 2-Cl-pyrrole by HOCl

图6. 2-氯-吡咯和次氯酸的氯化反应

2,5-二氯-吡咯的氯化。2,5-二氯-吡咯的计算得到的pK_a值为9.9，pH = 7时，其p(A) = ~10⁻³。由于结构的对称性，只研究了2,5-二氯-吡咯中的N1、C2和C3位点。如图7所示，2,5-二氯-吡咯的N1，C2，C3位点中C3位点氯化的k_obs-est值7.9 × 10⁶ M⁻¹ s⁻¹最高，且阴离子形式的2,5-二氯-吡咯对其k_obs-est值作主要贡献，从而生成中性的中间体2,3,5-三氯，3氢-吡咯。与上述阳离子中间体不同，中性的2,3,5-三氯，3氢-吡咯可以发生脱质子、水解和氯化反应，其中脱质子的k_est值10 M⁻¹ s⁻¹在所有反应中仍然是最高的，说明脱质子反应比氯化和水解反应更占优势。因此，2,5-二氯-吡咯最可能通过S_EAr反应生成产物2,3,5-三氯-吡咯，该反应的k_est-rls值为~10 s⁻¹。

Figure 7. Chlorination of 2,5-di-Cl-pyrrole by HOCl

图7. 2,5-二氯-吡咯和次氯酸的氯化反应

2,3,5-三氯-吡咯的氯化反应。在pH = 为7时，2,3,5-三氯-吡咯计算的pK_a值为7.4，说明p(A) = ~0.5。如图8所示，氯化过程中，2,3,5-三氯-吡咯中所有位点的反应性均得到提高，k_obs-est值的范围在~10⁷~10⁸ M⁻¹ s⁻¹，其中C4位点是动力学上反应性最高的位点，产生中性的2,3,4,5-四氯-4氢-吡咯中间体。由于中性的中间体发生氯化和水解的反应性远远低于脱质子，因此只考虑了2,3,4,5-四氯-4氢-吡咯的脱质子反应，其k_est值为10² s⁻¹，最终生成产物2,3,4,5-四氯-吡咯。

Figure 8. Chlorination of 2,3,5-tri-Cl-pyrrole by HOCl

图8. 2,3,5-三氯-吡咯和次氯酸的氯化反应

考虑到吡咯所有的氯化反应，可以发现吡咯最初倾向于在C2位点发生S_EAr反应生成2-氯-吡咯，k_est-rls值为值为~10⁴ M⁻¹ s⁻¹。在进一步的氯化反应中，S_EAr反应仍然是最有利的反应，取代位点的顺序是C5、C3和C4，分别生成2,5-二氯-吡咯、2,3,5-三氯-吡咯和2,3,4,5-四氯-吡咯，其k_est-rls值分别为~10⁴、10¹和10² M⁻¹ s⁻¹。值得注意的是，吡咯一氯化和二氯化发生迅速，而三氯化和四氯化相对慢了2-3个数量级。综上所述，吡咯中的C位点在氯化过程中很容易被氯化，并通过S_EAr反应机制形成最终产物2,3,4,5-四氯-吡咯。这推断出吡咯可能是水中卤代吡咯的前体。

3.2. 吡咯的溴化反应

为了简化溴化反应，图9分别只给出了吡咯在溴化过程中最可能的反应途径。可以发现，吡咯的溴化反应与氯化反应的途径相同。

Figure 9. The most possible bromination pathways of pyrrole by HOBr

图9. 吡咯和次溴酸反应最可能的溴化路径

对于吡咯的溴化，如图9所示，C2位点在溴化反应中也表现出了最高的反应性，其k_obs-est值为~10⁶ M⁻¹ s⁻¹，比相应的氯化值高2个数量级，并且S_EAr反应优于加成反应生成2-溴-吡咯。在进一步的溴化反应中，2,5-二溴-吡咯、2,3,5-三溴-吡咯和2,3,4,5-四溴-吡咯生成的k_est-rls值分别为~10⁶、10¹和10³ M⁻¹ s⁻¹。值得注意的是，溴化反应在动力学上似乎比氯化反应更可行，其k_est-rls值比氯化反应高出1~2个数量级。综上所述，和氯化反应一样，吡咯中所有的C位点都很容易被溴化，通过S_EAr反应机制最终生成四溴吡咯。通过计算发现，实验中检测出的三溴吡咯和四溴吡咯可以通过吡咯与次溴酸反应生成，表明吡咯可能它们的潜在前体。此外，实验中测得在所有卤代的吡咯化合物中，四溴吡咯表现出最高的毒性，可能是由于卤素的数量与其毒性具有正相关。

4. 结论

本文主要研究了吡咯在氯消毒中与次氯酸和次溴酸的反应，通过量子化学计算方法，在M06-2X(D3)/aug-cc-pVTZ//M06-2X(D3)/6-311+G(d)水平下结合SMD水模型探讨了吡咯氯化和溴化的反应位点、反应机制以及产物。研究结果表明，吡咯在氯化和溴化反应中表现出较高的反应活性，尤其是在C位点，S_EAr反应在动力学和热力学上均优于加成反应。

对于吡咯的初始氯化，鉴于吡咯的对称结构，选取N1、C2和C3为研究位点，并探究了吡咯与次氯酸和次溴酸的取代和加成两种可能反应机制。研究结果表明，次氯酸和次溴酸中的Cl⁺和Br⁺进攻吡咯环中的C2位点时反应活性最高，形成σ-络合物阳离子——2-氯,2-氢-吡咯阳离子和2-溴，2-氢-吡咯阳离子。之后，σ-络合物阳离子可以发生脱质子反应完成取代反应，也可以通过水解反应完成加成反应，发现脱质子的取代反应比水解的加成反应更占优势。由此可知，吡咯环中的C2位点先被次氯酸中的Cl⁺和次溴酸中的Br⁺进攻再通过脱去该位点的H⁺完成经典的芳香族基团上的多步亲电取代(S_EAr)反应，最终形成2-氯-吡咯和2-溴-吡咯，其限速步骤的反应速率常数(k_est-rls)分别为~10⁴和10⁶ M⁻¹ s⁻¹。在进一步的氯/溴化反应中，S_EAr反应仍然是最有利的反应，取代位点的顺序是C5、C3和C4，分别产生2,5-二氯/溴-吡咯、2,3,5-三氯/溴-吡咯和2,3,4,5-四氯/溴-吡咯，其k_est-rls分别为~10⁴/10⁶、10/10和10²/10³ M⁻¹ s⁻¹。值得注意的是，一氯/溴化和二氯/溴化反应发生的很快，而三氯/溴化和四氯/溴化反应相对慢一些，且溴化反应在动力学上似乎比氯化反应更可行，其k_est-rls值比氯化反应高出1~2个数量级。因此，在氯化和溴化反应中，吡咯C位点是反应的活性位点，并通过S_EAr反应机制形成最终产物2,3,4,5-四氯/溴-吡咯。鉴于实际水体中已报道过三溴吡咯和四溴吡咯的存在，以上研究结果表明，吡咯可能是它们的潜在前体。针对四溴吡咯在卤代吡咯中具有最高的毒性，在高溴离子水体，建议优化氯投加量以减少多溴吡咯的生成。此外，建议系统考察高级氧化、光催化等处理技术对卤代吡咯的降解效能，阐明其分子层面的降解途径与产物毒性演变规律，为制定有效的污染控制策略提供理论依据。

NOTES

^*通讯作者。