應(yīng)用密度泛函理論研究舒坦電噴霧質(zhì)譜行為

張宏森,　魏立國(guó),　宋微娜,　張　鋼

(1.黑龍江科技大學(xué) 現(xiàn)代分析測(cè)試研究中心, 哈爾濱 150022;2.哈爾濱工程大學(xué) 材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院, 哈爾濱 150001;3.吉林大學(xué)理論化學(xué)研究所 理論化學(xué)計(jì)算國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 長(zhǎng)春 130023)

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應(yīng)用密度泛函理論研究舒坦電噴霧質(zhì)譜行為

張宏森1,2,魏立國(guó)1,宋微娜1,張鋼3

(1.黑龍江科技大學(xué) 現(xiàn)代分析測(cè)試研究中心, 哈爾濱 150022;2.哈爾濱工程大學(xué) 材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院, 哈爾濱 150001;3.吉林大學(xué)理論化學(xué)研究所 理論化學(xué)計(jì)算國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 長(zhǎng)春 130023)

為準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)質(zhì)譜數(shù)據(jù)所反映的化合物質(zhì)譜行為和結(jié)構(gòu)特點(diǎn),以電噴霧質(zhì)譜檢測(cè)結(jié)果為依據(jù),應(yīng)用密度泛函理論計(jì)算方法,研究舒巴坦的離子化方式、裂解方式和裂解機(jī)理。結(jié)果表明:舒巴坦與質(zhì)子和鈉離子結(jié)合離子化方式分別與其電子排布和分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有關(guān);在負(fù)離子檢測(cè)模式下,羧基與磺酰基間相互影響,對(duì)維持五元環(huán)的穩(wěn)定起到了重要的作用;四元環(huán)和五元環(huán)在正電荷體系中比負(fù)電荷更穩(wěn)定。該研究為質(zhì)譜的理論研究和舒巴坦的分析檢測(cè)提供了理論參考。

舒巴坦; 密度泛函理論; 電噴霧質(zhì)譜行為; 離子化方式

0　引　言

質(zhì)譜因其靈敏度高和分析速度快的特點(diǎn),已經(jīng)成為定性和定量分析的重要工具。然而,如何從復(fù)雜的質(zhì)量數(shù)據(jù)中分析化合物質(zhì)譜行為、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及構(gòu)效關(guān)系,仍是當(dāng)今分析測(cè)試人員必須面對(duì)的巨大挑戰(zhàn)。伴隨量子化學(xué)理論快速發(fā)展,質(zhì)譜實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果與密度泛函理論計(jì)算相結(jié)合的分析方法已經(jīng)被應(yīng)用在質(zhì)譜研究領(lǐng)域[1-2]。該方法可從分子結(jié)構(gòu)層面準(zhǔn)確地研究化合物的質(zhì)譜行為方式,對(duì)化合物的分析測(cè)試和構(gòu)效關(guān)系研究都有重要意義。

舒巴坦是β-內(nèi)酰胺酶抑制劑,對(duì)青霉素酶和頭孢菌素酶有較強(qiáng)的不可逆的抑制作用,與頭孢菌素和青霉素聯(lián)合使用可以明顯提高這些抗生素的藥效,目前,舒巴坦與抗生素組成的復(fù)方藥物被廣泛應(yīng)用于臨床。質(zhì)譜檢測(cè)已經(jīng)成為研究該類復(fù)方藥物成分、藥物代謝、藥理活性的主要分析方法,開(kāi)展舒巴坦的質(zhì)譜研究具有重要的臨床應(yīng)用價(jià)值[3-4]。因此,筆者應(yīng)用密度泛函理論探討了舒巴坦的電噴霧質(zhì)譜行為。

1　實(shí)驗(yàn)與計(jì)算方法

1.1儀器與試劑

6310液相色譜-離子阱質(zhì)譜聯(lián)用儀(美國(guó)Agilent公司)。

舒巴坦注射用無(wú)菌針劑,經(jīng)制備液相色譜分離純化,經(jīng)過(guò)IR、NMR證實(shí);甲醇為農(nóng)殘級(jí),水為高純水。

1.2質(zhì)譜檢測(cè)

離子源:電噴霧離子源;干燥氣溫度:325 ℃;霧化器壓力:0.21 MPa;干燥氣流量:8.50 L/min;碰撞氣:氦氣;加熱氣:氮?dú)狻?/p>

1.3計(jì)算方法

采用雜化密度泛函理論(B3LYP)方法,結(jié)合6-31G基組,優(yōu)化舒巴坦分子及相應(yīng)分子離子和碎片離子結(jié)構(gòu),在同樣理論級(jí)別下進(jìn)行頻率計(jì)算[5]。應(yīng)用IRC理論分析了該反應(yīng)沿最小能量途徑(MEP)上相互作用分子間化學(xué)鍵的變化。文中所有計(jì)算均使用Gaussian 03程序完成[6]。

2　結(jié)果與討論

2.1離子化

眾所周知,質(zhì)譜只能檢測(cè)帶有電核的離子,因此,實(shí)現(xiàn)待測(cè)化合物離子化是質(zhì)譜分析的前提。研究表明:不同的離子化方式及不同的離子化位點(diǎn)對(duì)化合物的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)產(chǎn)生很大的影響[7],因此確定分子離子化后的結(jié)構(gòu)是研究質(zhì)譜行為和裂解方式的基礎(chǔ)。

圖1和2分別為正離子和負(fù)離子方式檢測(cè)譜圖。在正離子檢測(cè)模式下離子化的方式,通常是使分子與質(zhì)子、鈉離子、鉀離子相結(jié)合帶有正電荷,通常其質(zhì)核比數(shù)值分別比分子量大1、23和39。對(duì)圖1分析可知,m/z234是[M+H]+峰,m/z256是[M+Na]+峰,m/z278是[M-H+2Na]+峰。在負(fù)離子檢測(cè)模式下離子化的方式,分子失去一個(gè)質(zhì)子,圖2中m/z232是[M-H]-峰。

圖1　舒巴坦電噴霧質(zhì)譜正譜圖

圖2　舒巴坦電噴霧質(zhì)譜負(fù)譜圖

2.1.1[M+H]+離子化

理論上,分子中每個(gè)外層帶有孤對(duì)電子的雜原子都可能與質(zhì)子結(jié)合,生成分子離子[M+H]+,因此,即使在同一個(gè)檢測(cè)條件下,生成[M+H]+可能包含多種結(jié)構(gòu),這已被前期實(shí)驗(yàn)證實(shí)[8]。

研究表明[9-10]:福井函數(shù)和二元描述符是計(jì)算化合物最有利的離子化位點(diǎn)的有效方法。親電福井函數(shù)f-(r)=ρ(N)-ρ(N-1),親核福井函數(shù)f+(r)=ρ(N+1)-ρ(N), 二元描述符近似為f2(r)=f+(r)-f-(r),其中ρ(N)、ρ(N+1)和ρ(N-1)分別是分子為中性、陰離子和陽(yáng)離子時(shí)的電子密度。f-(r)值越大表明該位點(diǎn)越容易成為離子化位點(diǎn)。f2(r)>0的部位是化學(xué)反應(yīng)的親電活性部位,f2(r)<0的部位是化學(xué)反應(yīng)的親核活性部位。

表1列出了理論計(jì)算的舒巴坦分子中主要原子福井函數(shù)、二元描述符值。S6原子的f-(r)最小,f2(r)>0表明該原子最難發(fā)生親核反應(yīng)。相反,O23原子的f-(r)最大,f2(r)<0說(shuō)明O23是質(zhì)子離子化最有利的位點(diǎn)。N3、O9和O10都可能是質(zhì)子進(jìn)攻的位點(diǎn)。對(duì)可能生成的[M+H]+進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)如圖3所示(圖中標(biāo)出了質(zhì)子化的氫原子),[M+H]+能量E列于表1中。結(jié)果表明:4種離子化方式生成熱力學(xué)穩(wěn)定的[M+H]+,N3、O9和O10結(jié)合質(zhì)子后的結(jié)構(gòu)盡管相應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)已經(jīng)發(fā)生了明顯的變化,但基本保留了五元環(huán)的基本結(jié)構(gòu)(圖3a、b和d)。然而,O23結(jié)合質(zhì)子后五元環(huán)已經(jīng)開(kāi)環(huán)(圖3c),其[M+H]+能量明顯降低。這充分說(shuō)明離子化對(duì)化合物的結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生重要的影響,也會(huì)影響化合物的質(zhì)譜行為。

表1　舒巴坦分子主要原子福井函數(shù)、二元描述符和分子離子能量

圖3　優(yōu)化后的舒巴坦[M+H]+結(jié)構(gòu)

2.1.2[M+Na]+和[M-H+2Na]+離子化

由于鈉離子半徑較大,在離子化過(guò)程中,空間位阻作用更為明顯。對(duì)舒巴坦與鈉離子不同的初始結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,得到如圖4a和b所示的2種穩(wěn)定結(jié)構(gòu),鈉離子與2個(gè)雜原子相互作用,說(shuō)明[M+Na]+不但要求化合物中含有相應(yīng)的雜原子提供孤對(duì)電子,而且雜原子應(yīng)具有特定的排列方式。圖4c表明:舒巴坦分子中含有羧基和磺?；伎梢耘c鈉離子相結(jié)合,生成[M-H+2Na]+峰。

圖4　舒巴坦優(yōu)化后的離子結(jié)構(gòu)

2.1.3[M-H]-離子化

負(fù)譜檢測(cè)已經(jīng)成為化合物質(zhì)譜檢測(cè)的重要方法,尤其在復(fù)雜體系中,對(duì)具有特定結(jié)構(gòu)的化合物分析,負(fù)譜檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)更為明顯。通過(guò)對(duì)比圖1和2可以發(fā)現(xiàn)負(fù)譜更為“干凈”,這對(duì)定量分析尤為重要。其根本原因在于:在正離子檢測(cè)模式下,只要化合物中含有可以與質(zhì)子、鈉離子、鉀離子等陽(yáng)離子相結(jié)合的位點(diǎn),理論上就可以實(shí)現(xiàn)離子化。絕大多數(shù)含有O、N元素的有機(jī)化合物都可以滿足正譜檢測(cè)的離子化要求,因此檢測(cè)的選擇性較差。而負(fù)譜檢測(cè)通常是使化合物失去一個(gè)質(zhì)子,形成帶有負(fù)電荷的離子。通常情況下,在有機(jī)化合物中絕大多數(shù)氫原子以C—H形式存在,化合鍵為典型的共價(jià)鍵,質(zhì)子難以解離。只有在羧基、羥基等特定官能團(tuán)中的質(zhì)子才易于解離,具有這種結(jié)構(gòu)的化合物才能實(shí)現(xiàn)在負(fù)離子模式下的離子化,滿足質(zhì)譜檢測(cè)要求,所以在復(fù)雜混合物分析中負(fù)譜檢測(cè)具有較好的選擇性。舒巴坦分子中含有羧基,由于羧基中氧原子對(duì)O—H鍵中的共用電子對(duì)吸引作用明顯強(qiáng)于氫原子,因此,質(zhì)子易于離去。舒巴坦分子中其他氫原子與碳原子形成典型的共價(jià)鍵,不易解離。因此[M-H]-僅有一種結(jié)構(gòu)。

2.2裂解方式

2.2.1CO2解離對(duì)化合物結(jié)構(gòu)的影響

在負(fù)譜中,由分子離子(m/z232)裂解為碎片離子(m/z188)過(guò)程中質(zhì)量數(shù)減少44,表明在這個(gè)過(guò)程中失去了一個(gè)CO2。為進(jìn)一步研究CO2離去對(duì)分子結(jié)構(gòu)的影響,對(duì)該過(guò)程進(jìn)行理論計(jì)算[11],舒巴坦離子解離CO2機(jī)理如圖5所示。通過(guò)對(duì)過(guò)渡態(tài)的計(jì)算,可以清楚地發(fā)現(xiàn)隨著CO2的離去,在C5—C7鍵斷裂的同時(shí),C11—S6鍵開(kāi)裂,五元環(huán)開(kāi)環(huán)。

圖5　舒巴坦裂解反應(yīng)勢(shì)能圖

在正譜中除了3個(gè)分子離子峰外,豐度較高的兩個(gè)碎片離子峰(m/z212和190)分別是分子離子峰(m/z256和234)解離CO2后所形成的碎片離子峰。在正離子模式下,羧基中的質(zhì)子進(jìn)攻C7,導(dǎo)致CO2離去。對(duì)于質(zhì)子與N3、O9和O10,及鈉離子磺?；Y(jié)合后生成的分子離子CO2解離后的結(jié)構(gòu)優(yōu)化,結(jié)果表明:五元環(huán)并未開(kāi)環(huán)。

此外,單純從質(zhì)核比的角度,質(zhì)譜峰m/z234既可能是[M+H]+峰,也可能是m/z278分子離子峰失去CO2。然而,通過(guò)對(duì)m/z278化學(xué)結(jié)構(gòu)分析,不難看出當(dāng)分子離子脫去CO2,意味著分子離子失去2個(gè)氧原子,其將很難繼續(xù)保留2個(gè)鈉離子結(jié)構(gòu)。因此,質(zhì)譜峰m/z234只可能為[M+H]+峰。

2.2.2m/z232→140裂解過(guò)程

在負(fù)譜中m/z232→140裂解過(guò)程如圖6所示。由于羧基中的質(zhì)子離去,與C5相連的氫原子活性增強(qiáng),該質(zhì)子進(jìn)攻親核性較強(qiáng)的O23, 導(dǎo)致S6—C11鍵斷裂,五元環(huán)開(kāi)環(huán), 同時(shí)C5—C11形成雙鍵。進(jìn)而四元環(huán)中發(fā)生Diels-Alder逆反應(yīng),四元環(huán)開(kāi)環(huán)。研究表明,β-內(nèi)酰胺化合物中四元環(huán)通常有多種斷裂方式,但該化合物只有一種開(kāi)環(huán)方式。這主要因?yàn)槭姘吞古c青霉素和頭孢菌素類化合物相比,C1原子上并未連接相應(yīng)的官能團(tuán)。青霉素和頭孢菌素類化合物C1原子上連接結(jié)構(gòu)較大的官能團(tuán),導(dǎo)致與四元環(huán)相連的各種官能團(tuán)對(duì)四元環(huán)存在多個(gè)方向的作用力。而五元環(huán)開(kāi)環(huán)后的舒巴坦離子的四元環(huán)受力主要來(lái)自上下兩個(gè)方向,因此，四元環(huán)開(kāi)環(huán)方式較為單一。

圖6　舒巴坦可能的裂解機(jī)理

3　結(jié)　論

(1)舒巴坦在正離子檢測(cè)條件下,[M-H+2Na]+、[M+Na]+和[M+H]+三種離子化方式存在多種結(jié)構(gòu)。[M+H]+離子化方式主要受到化合物的電子排布影響,與鈉離子結(jié)合的離子化方式主要與分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有關(guān)。負(fù)離子檢測(cè)條件下,[M-H]-僅有一種結(jié)構(gòu),具有較好的選擇性,在實(shí)際檢測(cè)中,可以應(yīng)用負(fù)離子檢測(cè),降低背景干擾。

(2)正離子和負(fù)離子檢測(cè)中,化合物均易失去CO2, 這可成為該化合物質(zhì)譜的特征裂解規(guī)律。在負(fù)離子檢測(cè)條件下,羧基對(duì)維持五元環(huán)的穩(wěn)定起重要作用,CO2解離五元環(huán)開(kāi)環(huán)。在正離子檢測(cè)條件下,CO2對(duì)于五元環(huán)結(jié)構(gòu)的影響并不大。這表明五元環(huán)在體系帶有正電荷條件下比負(fù)電荷條件下更穩(wěn)定。

(3)在正譜中,并沒(méi)有檢測(cè)到四元環(huán)開(kāi)環(huán);在負(fù)譜中,檢測(cè)到四元環(huán)沿橫向開(kāi)環(huán)裂解碎片離子。這表明四元環(huán)在體系帶有負(fù)電荷條件下更易開(kāi)環(huán)。

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(編輯王冬)

Study on ESI-MS behavior of sulbactam by density function theory

ZHANGHongsen1,2,WEILiguo1,SONGWeina1,ZHANGGang3

(1.Modern Analysis & Research Center, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China; 2.College of Materials Science & Chemical Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China; 3.State Key Laboratory of Theoretical & Computational Chemistry, Institute of Theoretical Chemistry, Jilin University, Changchun 130023, China)

Aimed at an accurate understanding of compound mass behavior and the structural characteristics reflected by spectrum data, this paper describes an investigation into ionization patterns, fragmentation patterns and fragmentation mechanism of sulbactam by density function theory. The results suggest the correlation between [M+H]+and [M+Na]+on the one hand and electron configuration and molecular structural characteristics on the other hand; the significance of carboxyl group and sulfonyl group to maintaining the stability of five-membered ring in negative ion mode; and the greater stability of four-membered ring and five-membered ring in positively ion mode than in negatively ion mode. The investigation provides theoretical reference for theoretical study of mass spectra and experiment detection of sulbactam.

sulbactam; density function theory; electro spray ionization-mass spectroscopy behavior; ionization

2013-04-09

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(12511472)

張宏森(1974-),男,黑龍江省齊齊哈爾人,高級(jí)工程師,博士研究生,研究方向:儀器分析檢測(cè)和有機(jī)物理化學(xué),E-mail:zhanghongsen666@sina.com。

10.3969/j.issn.1671-0118.2013.03.007

O641;O657

1671-0118(2013)03-0246-05

A