基于DFT計算解釋兩種酰腙化合物質譜差異

吳生秀,張 蘋,王 毅,孫媛媛,趙 彤

(西安瑞聯新材料股份有限公司,陜西 西安 710086)

基于DFT計算解釋兩種酰腙化合物質譜差異

吳生秀,張 蘋,王 毅,孫媛媛,趙 彤

(西安瑞聯新材料股份有限公司,陜西 西安 710086)

通過GC/MS對3′,4′,5′-三甲氧基苯乙酮異煙酰腙及3′,4′,5′-三甲氧基苯乙酮皮考林酰腙在電子轟擊離子化(EI)方式下的裂解途徑和機理做以闡釋，總結了裂解規(guī)律.采用密度泛函理論(Density functional theory,DFT)優(yōu)化了兩種煙腙的穩(wěn)定結構，并計算了兩種煙腙質譜裂解過程中的C-N、C-C鍵能及產物的能量，從理論上解釋了兩種化合物質譜圖所存在的差異性.

異煙酰腙；皮考林酰腙；氣質聯用；質譜裂解機理；密度泛函理論

酰腙類化合物是由酰肼與醛或酮縮合而成的一類席夫堿類化合物，因其具有特殊的化學結構，使其具有良好的生物活性、較強的配位能力和多樣的配位方式，因此在醫(yī)藥、農藥、材料和分析試劑等眾多領域獲得了廣泛的關注[1],異煙肼為臨床上常用的抗結核藥，異煙腙衍生物具有廣泛的生物活性，尤其是殺菌活性[2-3].以異煙肼和香草醛合成的異煙腙已作為藥物廣泛應用于臨床治療結核病.合成新型的活性更強的酰腙類化合物已成為醫(yī)藥研發(fā)領域的一個新的研究熱點.

酰腙類化合物由于具有較強的配位能力和多樣的配位形式，可與眾多的金屬離子生成金屬配合物，所以在分析測試、催化學、非線性化學等眾多領域也得到廣泛應用[4-6].

有機質譜在醫(yī)藥研發(fā)領域作為有力的工具已被廣泛應用，對于同分異構體因具有相似的裂解途徑，從而具有相同的碎片離子，其差異可能僅是離子豐度上的差異，所以僅通過質譜來鑒別同分異構體成為質譜研究領域的一個難點.隨著量子化學理論的快速發(fā)展，利用質譜和密度泛函理論計算相結合的方式可以從根本上來解釋質譜的裂解途徑和機理，對化合物的構效研究具有重要的意義[7].

大多數質譜碎裂是單分子離子的分解反應,研究和闡明各類化合物的質譜特征和裂解機理已成為質譜研究的熱點.為了準確認識質譜數據所反映的化合物質譜行為及其結構特點，應用密度泛函理論計算方法，研究了異煙腙及其異構體的的裂解方式和裂解機理，對比了碎片離子的穩(wěn)定性，旨在為此類化合物的結構解析提供理論依據.

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

1.1.1 儀器

GC/MS-QP2010Ultra氣相色譜質聯用儀(日本島津)，電子轟擊離子源(EI)，GC/MS Solution V 2.71工作站.

1.1.2 化合物制備

3′,4′,5′-三甲氧基苯乙酮、4-吡啶甲酰肼、2-吡啶甲酰肼:百靈威科技有限公司; 無水乙醇:天津市科密歐化學試劑有限公司;

以3′,4′,5′-三甲氧基苯乙酮分別與4-吡啶甲酰肼、2-吡啶甲酰肼以無水乙醇做溶劑，60 ℃下，回流4 h反應分別得到兩個目標化合物：3′,4′,5′-三甲氧基苯乙酮異煙酰腙 、3′,4′,5′-三甲氧基苯乙酮皮考林酰腙.

1.2 實驗條件

色譜柱：安捷倫DB-1MS石英毛細柱(30 m×0.32 mm×0.25 μm).升溫程序：180 ℃保持7 min，以20 ℃/min升至300 ℃，保持10 min；載氣(He)流速1.43 mL/min，壓力48 kPa，稱取0.5 mg樣品溶于2 mL甲苯，進樣量0.5 μL；分流比10∶1.電子轟擊(EI)離子源：電子能量70 eV；進樣口溫度320 ℃；接口溫度300 ℃；離子源溫度250 ℃；質量掃描范圍m/z34～700.

量子化學計算采用Gaussian 03軟件完成[8].

2 結果與討論

2.1 3′,4′,5′-三甲氧基苯乙酮異煙酰腙質譜裂解途徑

3′,4′,5′-三甲氧基苯乙酮異煙酰腙質譜圖中的重要離子峰及相對豐度列入表1.

表1 電子轟擊離子源下3′,4′,5′-三甲氧基苯乙酮異煙腙的碎片離子及其相對豐度Table 1 Relative abundances of characteristic ions in the EI mass spectra of 3′,4′,5′-trimethoxyacetophenone isonicotinoylhydrazone

從表1可以看到，分子被電離后失去一個電子，生成具有較高的穩(wěn)定性的分子離子峰，在譜圖中表現為基峰，m/z314離子為甲氧基通過α斷裂失去甲基自由基所產生的，由于對位基團的供電子效應，所以斷裂的鍵最可能為4′位的C-O鍵，m/z298離子是游離基中心定域在甲氧基氧原子上，與正電荷中心相連的鍵的一對電子全部被正電荷所吸引，造成單鍵的斷裂和電荷的轉移，失去甲氧基自由基.碎片離子中較弱的m/z312離子，生成可能是分子離子峰結構中的酰胺酮式烯醇式互變異構，同時發(fā)生α斷裂失去羥基自由基所產生的.當游離基中心定域在氨基氮原子上會發(fā)生α斷裂失去吡啶自由基得到離子m/z251.當發(fā)生以C-N鍵斷裂的α裂解時，生成m/z106碎片離子，該離子通過i斷裂失去CO得到碎片離子m/z78.碎片離子m/z251失去異氰酸得到離子m/z208.離子m/z208失去甲氧基自由基后生成離子m/z177.譜圖中較強的離子m/z223是當游離基中心定域在叔胺氮原子上發(fā)生α斷裂所生成的.3′,4′,5′-三甲氧基苯乙酮異煙酰腙可能的質譜裂解途徑見圖1.

2.2 3′,4′,5′-三甲氧基苯乙酮皮考林酰腙質譜裂解途徑

3′,4′,5′-三甲氧基苯乙酮苯乙酮皮考林酰腙質譜圖中的重要離子峰及相對豐度列入表2.

從表2以看到，3′,4′,5′-三甲氧基苯乙酮苯乙酮皮考林酰腙與3′,4′,5′-三甲氧基苯乙酮異煙酰腙具有相同的碎片離子，但是在豐度上具有很明顯的差異，3′,4′,5′-三甲氧基苯乙酮苯乙酮皮考林酰腙質譜圖中基峰為m/z223，而分子離子峰較弱豐度為32.4%，而在3′,4′,5′-三甲氧基苯乙酮異煙酰腙質譜圖中表現為分子離子峰為基峰，碎片離子m/z223相對豐度僅為10.8%，而導致兩種化合物質譜圖具有如此差異的僅僅是吡啶環(huán)取代位的差異，同時3′,4′,5′-三甲氧基苯乙酮苯乙酮皮考林酰腙中m/z79具有很高的豐度，其相對豐度為27.2%，氨基上氫原子發(fā)生重排到吡啶環(huán)氮原子上所產生的.由于氮原子的位置差異，所以3′,4′,5′-三甲氧基苯乙酮皮考林酰腙吡啶環(huán)上的氮原子具有較強的質子親和力(PA)，接受和轉移氫的能力也就愈大，隨分子內的氫重排反應生成奇電子離子m/z79.3′,4′,5′-三甲氧基苯乙酮皮考林酰腙可能的質譜裂解途徑見圖2.

圖1 3′,4′,5′-三甲氧基苯乙酮異煙酰腙可能的質譜裂解途徑Fig.1 Possible cleavage pathways of 3′,4′,5′-trimethoxyacetophenone isonicotinoylhydrazone

化合物結構基 峰碎片離子及其相對豐度/%m/z223m/z329m/z314m/z312m/z298m/z296m/z251m/z223m/z20832.44.010.42.43.234.81006.4m/z195m/z192m/z177m/z162m/z136m/z106m/z79m/z785.66.03.21.62.010.027.214.0

2.3 DFT解釋3′,4′,5′-三甲氧基苯乙酮異煙酰腙與3′,4′,5′-三甲氧基苯乙酮皮考林酰腙質譜裂解差異性

使用密度泛函的B3LYP方法，以6-311+G*為基組，對反應勢能面上的各駐點的構型進行了全幾何參數優(yōu)化，并由頻率分析確認了穩(wěn)定點的正確性．為了得到更精確的能量信息，又在B3LYP/6-311++G(3df,3pd)水平上計算了各駐點的單點能.

從表3和表4可以看出兩種酰腙C-N鍵能為343.94和320.29 kJ/mol，而相應的C-C鍵能分別為370.23和349.74 kJ/mol.因為兩個化合物質譜裂解后生成的碎片離子m/z251和m/z223均是一致的，所以我們認為其所具有的能量及穩(wěn)定性一致，后面由其所生成的碎片離子的過程一致，所以對比兩個化合物的結構和裂解途徑，我們從鍵能的穩(wěn)定性上來解釋其質譜裂解所產生的差異性.

圖2 3′,4′,5′-三甲氧基苯乙酮異煙酰腙可能的質譜裂解途徑Fig.2 Possible cleavage pathways of 3′,4′,5′-trimethoxyacetophenone picolinoylhydrazone

對比C-C鍵鍵能，3′,4′,5′-三甲氧基苯乙酮皮考林酰腙為349.74 kJ/mol，3′,4′,5′-三甲氧基苯乙酮異煙酰腙為370.23 kJ/mol，而當游離基定域在仲氨氮原子上通過游離基中心誘導發(fā)生C-C鍵斷裂的α裂解反應，鍵能低更容易裂解，所以對應的3′,4′,5′-三甲氧基苯乙酮皮考林酰腙的m/z251的離子豐度大于3′,4′,5′-三甲氧基苯乙酮異煙酰腙的m/z251的離子豐度.

對比C-N鍵鍵能，3′,4′,5′-三甲氧基苯乙酮皮考林酰腙為320.29 kJ/mol，3′,4′,5′-三甲氧基苯乙酮異煙酰腙為343.94 kJ/mol，當游離基定域在叔氨氮原子上通過游離基中心誘導發(fā)生C-N鍵斷裂的α裂解反應，鍵能低更容易裂解，所以對應的3′,4′,5′-三甲氧基苯乙酮皮考林酰腙的m/z223的離子豐度大于3′,4′,5′-三甲氧基苯乙酮異煙酰腙的m/z223的離子豐度.

而對于分子離子峰的進一步裂解，由于C-C鍵鍵能均比C-N鍵的鍵能高，所以兩種化合物都表現出m/z223離子豐度高于m/z251的離子.

由C-N斷裂所生成的離子中還有m/z106碎片離子，其生成是游離基中心定域在羰基氧原子上所誘導發(fā)生α裂解反應生成的，依據鍵能大小，所以其離子豐度上理論m/z106要比m/z251強，從3′,4′,5′-三甲氧基苯乙酮異煙酰腙的質譜圖上得以證明，但是從3′,4′,5′-三甲氧基苯乙酮苯乙酮皮考林酰腙的質譜圖上來看m/z106的碎片離子的豐度明顯低于m/z251的離子豐度，但是其由氫重排生成的m/z79奇電子離子表現出較高的豐度，這是由于兩種裂解過程形成了相互競爭的關系.一般而言，根據Stevenson規(guī)則[9]失去中性分子更容易一些，所以導致了這種情況.同時碎片離子m/z106與m/z223形成了一種競爭關系，所以譜圖中表現出此消彼長的態(tài)勢.

表3 3′,4′,5′-三甲氧基苯乙酮異煙酰腙各個自由基和正離子的總能量和結合能Table 3 Total energies (TEs) and binding energies (BEs) of free radical and positive ion calculated

表4 3′,4′,5′-三甲氧基苯乙酮皮考林酰腙各個自由基和正離子的總能量和結合能Table 4 Total energies (TEs) and binding energies (BEs) of free radical and positive ion calculated

通過以上的計算鍵能的對比，鍵能低的化合物的裂解傾向更強，我們從理論上解釋了兩種化合物在質譜圖上所表現的明顯差異性.

3 結論

通過對比兩種酰腙化合物由于取代位不同造成的結構差異，在質譜圖上所表現出的明顯差異性，使用密度泛函的B3LYP方法，以6-311+G*為基組,對兩種酰腙異構體的特征質譜碎片離子進行了幾何結構優(yōu)化,確定了各碎片的穩(wěn)定結構；然后在B3LYP//6-311++G(3df,3pd)水平計算了形成各碎片離子所需的鍵斷裂能,結果表明在兩種化合物中特征裂解的C-N鍵能均比C-C鍵能低，從理論上解釋了質譜圖中特征離子的差異性.同時由于空間結構的影響皮考林酰腙更容易發(fā)生分子內的氫重排裂解反應生成特征的離子m/z79，根據以上的信息可以為此類化合物的鑒別提供理論依據.

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[責任編輯：吳文鵬]

Analysis on GC/MS of two acylhydrazone compounds by density functional theory

WU Shengxiu,ZHANG Ping,WANG Yi*,SUN Yuanyuan,ZHAO Tong

(Xi’anManarecoNewMaterialsCo.,Ltd,Xi’an710086,Shaanxi,China)

The EI mass spectra of two compounds of 3′,4′,5′-trimethoxyacetophenone isonicotinoylhydrazone and 3′,4′,5′-trimethoxyacetophenone picolinoylhydrazone were analyzed with a gas chromatogram/mass spectrometer,and the fragmentation rules of those were summarized in this paper.Density functional theory (DFT) was used to explain the difference of mass spectrum.The analysis of the study can be used as a reference for further exploration of the fragmentation pathway and mechanism of acylhydrazone compounds in GC/MS.

isonicotinoylhydrazones; picolinoylhydrazone; GC/MS; fragmentation mechanism; DFT

2016-09-01.

吳生秀(1983-),女,助理研究員,研究方向為質譜分析.*

,E-mail:Orbitrap@163.com.

O657.63

A

1008-1011(2017)01-0081-06