高分辨高能量碰撞解離質(zhì)譜法研究3－苯硫基吲哚衍生物裂解反應(yīng)機(jī)理

莫雅雯，蔡 雪，曹小吉，2，莫衛(wèi)民

（1．浙江工業(yè)大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，杭州310014； 2．浙江工業(yè)大學(xué) 分析測(cè)試中心，杭州310014）

吲哚及其衍生物具有抗病毒、抗氧化、抗增殖等作用，是常用的化學(xué)合成模板［1－6］，在雜環(huán)化學(xué)中占有非常重要的位置。結(jié)構(gòu)表征和構(gòu)效關(guān)系的研究是開(kāi)發(fā)利用吲哚衍生物功能有機(jī)分子的重要環(huán)節(jié)。電噴霧電離（ESI）串聯(lián)質(zhì)譜技術(shù)是表征和研究吲哚衍生物結(jié)構(gòu)性質(zhì)的有效手段之一，已取得了一定的進(jìn)展［7－12］。質(zhì)子化離子（［M＋H］＋）是電噴霧電離中最常產(chǎn)生的一種偶電子離子，其在碰撞誘導(dǎo)解離（CID）模式下解離，一般遵循“偶電子離子規(guī)則”，產(chǎn)生偶電子碎片離子和中性丟失。近年來(lái)，質(zhì)子化離子碰撞解離產(chǎn)生奇電子碎片離子和自由基丟失的裂解反應(yīng)機(jī)理引起了人們的關(guān)注［13－15］。

本工作采用電噴霧電離－高能量碰撞誘導(dǎo)解離質(zhì)譜技術(shù)（ESI－HCD－MS／MS），結(jié)合密度泛函理論（DFT）計(jì)算和 H／D交換試驗(yàn)，探討了質(zhì)子化3－苯硫基吲哚衍生物在HCD解離模式下解離產(chǎn)生特征的3－（取代苯基）－吲哚自由基陽(yáng)離子（奇電子離子）、吲哚自由基陽(yáng)離子（奇電子離子）以及3－硫代吲哚陽(yáng)離子的反應(yīng)機(jī)理。

1 試驗(yàn)部分

1．1 儀器與試劑

Thermo Fisher Q Exactive組合型四極桿 Orbitrap質(zhì)譜儀（分辨率＞7 000，F(xiàn)WHM），配 H－ESI II源及Xcalibur 2．2數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

鄰氯苯硫基吲哚、對(duì)氟苯硫基吲哚、鄰甲氧基苯硫基吲哚、對(duì)異丙基苯硫基吲哚、間氯苯硫基吲哚、苯硫基吲哚、間甲基苯硫基吲哚等7個(gè)3－苯硫基吲哚衍生物（純度大于84%）；甲醇為色譜純。

1．2 儀器工作條件

1）質(zhì)譜條件 電噴霧離子源，正離子模式；以標(biāo)準(zhǔn)校正液（caffeine，MRFA and Ultramark 1621）對(duì)質(zhì)譜分析器的質(zhì)量軸進(jìn)行校正；霧化氣為氮?dú)?，流?．0L·min－1；噴霧電壓3．0kV；毛細(xì)管溫度350℃；碰撞氣為氮?dú)?，碰撞能量?7%，母離子的選擇質(zhì)量寬度為1．0m／z。

2）計(jì)算條件 所有的理論計(jì)算均是在Gaussian 03軟件上完成的。應(yīng)用DFT在B3LYP水平上，采用6－31G（d）雜化基組對(duì)化合物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬和優(yōu)化。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化過(guò)程中，忽略對(duì)稱(chēng)性限制。母離子、中間體和產(chǎn)物離子在結(jié)構(gòu)優(yōu)化中沒(méi)有虛頻產(chǎn)生，為真正的極小值；而過(guò)渡態(tài)結(jié)構(gòu)優(yōu)化完成時(shí)，有且僅有一個(gè)虛頻，并且其具有恰當(dāng)?shù)恼駝?dòng)矢量。所有的優(yōu)化結(jié)構(gòu)均在298．15K和1．01×105Pa條件下進(jìn)行了振動(dòng)頻率分析，計(jì)算所得的能量為電子能和內(nèi)能之和。

1．3 試驗(yàn)方法

稱(chēng)取適量樣品，用甲醇溶解，配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0．001%的溶液，過(guò)0．45μm濾膜，用注射泵輸送至質(zhì)譜儀中進(jìn)行檢測(cè)。

2 結(jié)果與討論

2．1 質(zhì)子化3－苯硫基吲哚衍生物離子的HCD－MS／MS分析

7個(gè)3－苯硫基吲哚衍生物在高分辨高能量碰撞解離質(zhì)譜（HCD－MS／MS）下裂解產(chǎn)生的主要碎片離子見(jiàn)表1。

表1 3－苯硫基吲哚衍生物在高分辨HCD－MS／MS下產(chǎn)生的主要碎片離子數(shù)據(jù)Tab．1 High－resolution HCD－MS／MS data showing fragmentation of the 3－（phenylthio）－1 H－indoles

由表1可知：碎片離子的精確質(zhì)量數(shù)的測(cè)量值與理論值的誤差均在±4．0×10－6內(nèi)，推測(cè)的碎片離子的元素組成結(jié)果準(zhǔn)確可靠；7個(gè)3－苯硫基吲哚衍生物的質(zhì)子化離子高能碰撞解離，裂解模式相同，各碎片離子的豐度隨著取代基種類(lèi)的不同而變化。

以3－苯硫基吲哚（化合物6）為例，其［M＋H］＋（m／z226．067 6）在 HCD解離模式下，中性丟失巰基自由基、苯和苯硫自由基分別產(chǎn)生3－苯基吲哚自由基陽(yáng)離子（a，m／z193．088 6）、3－硫代吲哚陽(yáng)離子（b，m／z148．021 5）和吲哚自由基陽(yáng)離子（c，m／z117．057 5），見(jiàn)圖1。

2．2 碎片離子a、b和c的產(chǎn)生機(jī)理

試驗(yàn)以3－苯硫基吲哚為模版化合物，采用DFT計(jì)算結(jié)合H／D交換試驗(yàn)詳細(xì)探討碎片離子a、b和c的形成機(jī)理。3－苯硫基吲哚的結(jié)構(gòu)式及其質(zhì)子化位點(diǎn)見(jiàn)圖2。

圖1 3－苯硫基吲哚［M＋H］＋的 HCD－MS／MS圖Fig．1 HCD－MS／MS spectrum of［M＋H］＋of 3－（phenylthio）－1 H－indole

圖2 3－苯硫基吲哚的結(jié)構(gòu)式及其質(zhì)子化位點(diǎn)Fig．2 Structural formula of 3－（phenylthio）－1 H－indole and its protonation sites

文獻(xiàn)［16－19］研究表明，吲哚衍生物的熱力學(xué)最穩(wěn)定的質(zhì)子化位點(diǎn)會(huì)受到吲哚環(huán)上取代基的影響。為了確定3－苯硫基吲哚的熱力學(xué)最穩(wěn)定的質(zhì)子化位點(diǎn)，試驗(yàn)在B3LYP水平上應(yīng)用6－31G（d）雜化基組對(duì)其可能的質(zhì)子化位點(diǎn)進(jìn)行了DFT模式計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 3－苯硫基吲哚不同質(zhì)子化位點(diǎn)離子的相對(duì)能量Tab．2 Relative energies of the ions at different protonation sites of 3－（phenylthio）－1 H－indole

由表2可知：外加質(zhì)子加合在3－苯硫基吲哚的C2原子上產(chǎn)生的質(zhì)子化離子MH2的能量比加合在其N(xiāo)1、C3、C4、S以及C5原子上時(shí)產(chǎn)生質(zhì)子化離子MH1、MH3、MH4、MH5以及 MH6的能量低23．4～86．0kJ·mol－1，表明C2原子是該化合物熱力學(xué)最穩(wěn)定的質(zhì)子化位點(diǎn)。然而，當(dāng)外加質(zhì)子加合在該位點(diǎn)時(shí)，直接正電荷誘導(dǎo)解離并不能產(chǎn)生碎片離子a、b和c。

若要得到中性丟失巰基自由基生成碎片離子a，在C5－S化學(xué)鍵斷裂前，苯環(huán)必須重排遷移到吲哚環(huán)上，見(jiàn)圖3。

圖3 推測(cè)的3－苯硫基吲哚質(zhì)子化的裂解機(jī)理Fig．3 Proposed fragmentation mechanism of protonated 3－（phenylthio）－1 H－indole

經(jīng)過(guò)四元環(huán)過(guò)渡態(tài)（TS－a1，191．5kJ·mol－1），苯環(huán)上的C6原子親核進(jìn)攻吲哚環(huán)上C3原子，隨后C3－S化學(xué)鍵異裂，形成中間體 MH－a1，然后C2位上的 其 中 一 個(gè) 氫 通 過(guò) 1，5－質(zhì) 子 遷 移 （TS－a2，131．4kJ·mol－1）轉(zhuǎn)移至 S原子上形成中間體MH－a2，接 著 發(fā) 生 1，2－氫 負(fù) 離 子 遷 移 （TS－a3，157．1kJ·mol－1），均裂中性丟失 HS自由基，生成碎片離子a；當(dāng)MH2的C2位上的氫直接發(fā)生1，4－質(zhì)子遷移（TS2，194．3kJ·mol－1）轉(zhuǎn)移到苯環(huán) C5原子上，C5－S鍵電荷誘導(dǎo)異裂，中性丟失苯則生成b離子；當(dāng)MH2的C2位上的氫發(fā)生1，2－氫負(fù)離子遷移（TS3，116．7kJ·mol－1）轉(zhuǎn)移到 C3原子上，C3－S鍵均裂，中性丟失苯硫自由基，則生成碎片離子c。

3－苯硫基吲哚質(zhì)子化離子的斷裂勢(shì)能曲線(xiàn)見(jiàn)圖4。

圖4 3－苯硫基吲哚質(zhì)子化離子的斷裂勢(shì)能曲線(xiàn)Fig．4 Potential energy curve of fragmentation of protonated 3－（phenylthio）－1 H－indole

為了進(jìn)一步驗(yàn)證圖3所示的裂解機(jī)理，通過(guò)H／D交換試驗(yàn)，研究了活潑氫完全氘代的3－苯硫基吲哚的氘交換離子（［M－d1＋D］＋）的高分辨HCDMS／MS譜圖，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 3－苯硫基吲哚的［M－d1＋D］＋的高分辨HCD－MS／MS數(shù)據(jù)Tab．3 High－resolution HCD－MS／MS data of［M－d1＋D］＋ of 3－（phenylthio）－1 H－indole

由表3可知：化合物6的［M－d1＋D］＋在HCD解離模式下，產(chǎn)生了兩種a同位素離子，分別為含有一個(gè)氘原子的a－d1離子（m／z194．095 0）和含有兩個(gè)氘原子的a－d2離子（m／z195．101 5），還產(chǎn)生了兩種b同位素離子，分別為含有一個(gè)氘原子的b－d1離子（m／z149．027 8）和含有兩個(gè)氘原子的bd2離子（m／z150．034 0）。表明吲哚環(huán)C2位上的氫參與了圖3所示的1，5－質(zhì)子遷移和1，4－質(zhì)子遷移反應(yīng)，與推測(cè)的機(jī)理相符。

本工作采用高分辨的ESI－HCD－MS／MS，結(jié)合DFT計(jì)算和H／D交換試驗(yàn)，對(duì)3－苯硫基吲哚衍生物質(zhì)子化離子的裂解反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)研究。結(jié)果表明，該類(lèi)化合物的質(zhì)子化離子在高能碰撞解離模式下，通過(guò)苯基親核取代重排，C－S鍵均裂，中性丟失巰基自由基，生成了3－（取代苯基）－吲哚自由基離子；通過(guò)1，4－質(zhì)子遷移，C－S鍵異裂，產(chǎn)生了3－硫代吲哚陽(yáng)離子；通過(guò)1，2－氫負(fù)離子遷移，C－S鍵均裂，則產(chǎn)生了特征的吲哚自由基陽(yáng)離子。本試驗(yàn)可對(duì)今后3－苯硫基吲哚衍生物的合成、表征及特征離子譜庫(kù)的建立提供參考依據(jù)。

感謝沈振陸教授提供研究樣品！

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