實(shí)時(shí)直接分析高分辨質(zhì)譜技術(shù)研究碳硼烷類化合物

王昊陽,東國(guó)卿

(中國(guó)科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所 上海 200032)

鄰-碳硼烷(closo-1,2-Dicarbadodecaborane或1，2-C2B10H12)是第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)和準(zhǔn)確表征的碳硼烷[4]，一直是碳硼烷家族中研究和應(yīng)用最廣泛的一員，也具有較高的商業(yè)價(jià)值。根據(jù)對(duì)碳硼烷結(jié)構(gòu)的深入研究，學(xué)者們認(rèn)為其是一種三維的無機(jī)苯類似物，26個(gè)電子占據(jù)了 13個(gè)成鍵軌道,具有“超級(jí)芳香性”[5]。碳硼烷具有獨(dú)特幾何球面和疏水性分子表面，顯著的熱力學(xué)穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，被廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域：作為多功能配體應(yīng)用于配位/金屬有機(jī)化學(xué)以及用于超分子設(shè)計(jì)/納米材料[6]；因獨(dú)特的激發(fā)態(tài)行為被用于光電化學(xué)研究[7]；在醫(yī)藥方面可利用碳硼烷中高的B含量進(jìn)行硼中子俘獲治療(Boron neutron capture therapy，BNCT)[8]。此外二十面體碳硼烷籠的平均空間體積略大于一個(gè)旋轉(zhuǎn)的苯，原則上，通過將生物活性分子中的芳環(huán)替換成碳硼烷基團(tuán)，可以設(shè)計(jì)出含疏水碳硼烷藥效基團(tuán)的分子[9]。

與常規(guī)的有機(jī)化合物質(zhì)譜分析不同，碳硼烷質(zhì)譜分析的難點(diǎn)在于其復(fù)雜的同位素峰分布，如何解讀這些同位素峰，并根據(jù)同位素質(zhì)譜峰的輪廓和其中典型的質(zhì)譜峰進(jìn)行準(zhǔn)確的質(zhì)譜定性研究需要深入探討。作為重要的表征手段，質(zhì)譜信息對(duì)于確認(rèn)碳硼烷及其衍生物的結(jié)構(gòu)、分子量和元素組成具有重要的意義和價(jià)值。由于電子電離(Electron ionization，EI)過程能量較高(運(yùn)用70 eV的電子)，使得有時(shí)碳硼烷及其衍生物的主要信號(hào)為碎片離子或產(chǎn)生脫H2的離子物種，這給精確判斷結(jié)構(gòu)帶來一定不便。電噴霧離子化(Electrospray ionization，ESI)對(duì)離子型碳硼烷及其衍生物有較好的響應(yīng)，但是對(duì)一些極性較低的碳硼烷化合物，往往難以得到與結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的離子物種。

近年來筆者團(tuán)隊(duì)一直從事碳硼烷及其衍生物的質(zhì)譜科研工作，經(jīng)過前期研究和方法對(duì)比，發(fā)現(xiàn)以實(shí)時(shí)直接分析(Direct analysis in real time，DART)高分辨質(zhì)譜技術(shù)[10-13]為代表的新型原位離子化技術(shù)[14-15]是研究碳硼烷類化合物的優(yōu)選方法。DART離子化技術(shù)于2005年被報(bào)道[16-17]，具有分析通量高和響應(yīng)迅速的特點(diǎn)，能迅速實(shí)現(xiàn)目標(biāo)化合物的分析和檢測(cè)，可大大簡(jiǎn)化樣品制備步驟，尤其是與具有超高分辨率的傅里葉變換離子回旋共振質(zhì)譜儀(Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry，F(xiàn)TICR MS)聯(lián)用后，能實(shí)現(xiàn)同位素峰分布復(fù)雜的目標(biāo)化合物的快速高精度質(zhì)譜表征和分析[13]。本研究將運(yùn)用DART-FTICR MS質(zhì)譜技術(shù)，研究碳硼烷及其衍生物在DART離子化條件下所產(chǎn)生的離子物種，通過得到的高精度質(zhì)量信息，進(jìn)一步推測(cè)復(fù)雜同位素峰所對(duì)應(yīng)的元素組成和可能的歸屬。FTICR MS有能力對(duì)質(zhì)荷比非常接近的同位素峰信號(hào)進(jìn)行區(qū)分，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的離子定性，并通過進(jìn)一步結(jié)合同位素峰的輪廓關(guān)系確認(rèn)質(zhì)譜峰的歸屬。本文旨在幫助理解碳硼烷及其衍生物復(fù)雜的同位素峰信息，不僅對(duì)質(zhì)譜學(xué)表征碳硼烷及其衍生物有一定意義，對(duì)質(zhì)譜學(xué)表征同位素峰信息復(fù)雜的有機(jī)化合物和復(fù)合物也有一定參考價(jià)值。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與實(shí)驗(yàn)參數(shù)

FTICR MS的質(zhì)譜儀器參數(shù)：脫溶劑毛細(xì)管電壓(Capillary voltage)：9 V；離子源透鏡電壓(Tube lens voltage)：100 V；毛細(xì)管溫度：270 ℃。Multipole 00補(bǔ)償電壓(Offset voltage)：-4 V；multipole 0補(bǔ)償電壓：-4.5 V；multipole 1補(bǔ)償電壓：-8.5 V;lens 0 電壓：-4.2 V；lens 1 電壓：-14.9 V;gate lens電壓：-35.8 V；front lens 電壓：-5.2 V。質(zhì)譜掃描范圍為m/z50～800。數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析通過Xcalibur軟件進(jìn)行。

DART離子源參數(shù):DART 離子源(IonSense,Saugus,MA,USA)與線性離子阱-傅里葉變換回旋共振質(zhì)譜(LTQ-FTICR MS,Thermo Fisher Scientific,Bermen,Germany)連接使用，以獲得數(shù)據(jù)和譜圖的采集。DART離子源的設(shè)定參數(shù)如下：氮?dú)夂秃廨敵鰵鈮海?.5 MPa;DART氣體溫度:350 ℃。高純氦被用作為電離氣體。隔膜泵(WELCH,Ilmvac)用來保持連接DART離子源和FTICR-MS質(zhì)譜API接口之間區(qū)域的真空。DART離子源的位置及離子源出口與通入到質(zhì)譜接口的陶瓷管在同一條直線上。DART離子源出口與陶瓷管的距離控制在約12 mm。

1.2 試劑與樣品制備

本研究所用到的碳硼烷樣品由謝作偉院士課題組提供，在此特別表示感謝。樣品加入二氯甲烷溶解后，用Glass(Dip-It)tip玻璃樣品棒蘸取溶液進(jìn)樣測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 DART高分辨質(zhì)譜中碳硼烷化合物同位素峰的研究與歸屬

圖1 文中研究的碳硼烷化合物的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structures of carboranes studied herein

分析圖2可知，與常規(guī)有機(jī)化合物不同，碳硼烷化合物一般會(huì)形成類似正態(tài)分布的同位素峰簇。以[1+H]+為例，由于含B元素?cái)?shù)量較多，最輕同位素組成所對(duì)應(yīng)的同位素峰往往因?yàn)樨S度過低而無法被檢測(cè)到。為了能更好地解析碳硼烷化合物的同位素峰簇，將化合物1在DART正離子與負(fù)離子模式下的質(zhì)譜測(cè)定結(jié)果與理論模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，見表1與表2。表1和表2僅對(duì)碳硼烷類化合物對(duì)應(yīng)的8個(gè)相對(duì)豐度較高的同位素峰的m/z進(jìn)行了總結(jié)和分析，*代表同位素峰簇中相對(duì)豐度最高的同位素峰。從圖2和表1與表2可以看出，化合物1主要同位素質(zhì)譜峰精確質(zhì)荷比的測(cè)定值與理論模擬值誤差較小，而且主要的同位素質(zhì)譜峰的相對(duì)豐度與理論模擬值也能較好吻合。

表1 化合物1在DART正離子模式下主要質(zhì)譜同位素峰數(shù)據(jù)分析Table 1 Analyses of major isotopic mass peaks of compound 1 in DART positive ion mode

表2 化合物1在DART負(fù)離子模式下主要質(zhì)譜同位素峰數(shù)據(jù)分析

2.2 碳硼烷化合物在DART離子化條件下的質(zhì)譜行為小結(jié)及分析

質(zhì)譜學(xué)研究表明：并非所有的碳硼烷化合物在正離子和負(fù)離子條件下都可以得到相對(duì)應(yīng)的質(zhì)譜信號(hào)。在DART正離子條件下，本文選擇的10個(gè)碳硼烷化合物，只有1～5得到了質(zhì)譜信號(hào)；但10個(gè)化合物在DART負(fù)離子條件下均得到了較好的質(zhì)譜信號(hào)，可以產(chǎn)生[M-H]-或[M+Cl]-離子。如果碳硼烷化合物本身不含Cl，則其在DART負(fù)離子條件下形成的[M+Cl]-信號(hào)較容易識(shí)別和判斷。以化合物10為例，在DART負(fù)離子條件下可以很快判斷出相對(duì)豐度最高的同位素峰291.288 7m/z(對(duì)應(yīng)元素組成為C10H2810B211B835Cl-，相對(duì)豐度100%)。在分辨率大于1.4×105的情況下，進(jìn)一步將293m/z的信號(hào)放大后可以看到兩個(gè)質(zhì)荷比非常接近的同位素峰293.281 4m/z和293.285 8(如圖3C所示)，其對(duì)應(yīng)的元素組成分別為C10H2811B1035Cl-(相對(duì)豐度35.14%)、C10H2810B211B837Cl-(相對(duì)豐度33.06%)，可實(shí)現(xiàn)較好的分離，含37Cl的同位素峰是判斷離子中Cl元素存在的重要依據(jù)。在正離子條件下，含有芳基取代的碳硼烷化合物1～5較容易被檢測(cè)，得到[M+H]+或[M+NH4]+信號(hào)。本文所研究的碳硼烷都含10個(gè)B原子，同位素峰簇中相對(duì)豐度最高的同位素峰對(duì)應(yīng)的元素組成中一般含2個(gè)10B以及8個(gè)11B。FTICR MS精確質(zhì)量的測(cè)定結(jié)果支持了該結(jié)論。表3和表4總結(jié)了DART-FTICR MS質(zhì)譜測(cè)定中本文碳硼烷類化合物同位素峰簇中基峰的質(zhì)荷比與相應(yīng)元素組成和理論模擬的數(shù)據(jù)。

表3 碳硼烷化合物1～5在DART正離子模式下的測(cè)定數(shù)據(jù)Table 3 DART-FTICR MS analysis results of carboranes 1～5 in positive ion mode

(續(xù)表3)

表4 碳硼烷化合物1～10在DART負(fù)離子模式下的測(cè)定數(shù)據(jù)Table 4 DART-FTICR MS analysis results of carboranes 1～10 in negative ion mode

目前已有運(yùn)用基質(zhì)輔助激光離子化(MALDI)[18]和ESI質(zhì)譜[19]技術(shù)研究碳硼烷化合物以及相關(guān)離子多級(jí)質(zhì)譜行為的報(bào)道，但尚無文獻(xiàn)明確和系統(tǒng)研究碳硼烷化合物的復(fù)雜同位素峰該如何分析和歸屬。本文運(yùn)用高分辨質(zhì)譜技術(shù)對(duì)DART條件下碳硼烷化合物的質(zhì)譜行為進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：①碳硼烷化合物在DART負(fù)離子條件下一般都能得到較好的質(zhì)譜信號(hào)，可以形成[M-H]-或[M+Cl]-；②一般情況下，無論是DART正離子還是DART負(fù)離子模式，含10個(gè)B的碳硼烷化合物形成的離子同位素峰簇信號(hào)中，相對(duì)豐度最高的同位素峰包括2個(gè)10B以及8個(gè)11B；③ 對(duì)碳硼烷化合物質(zhì)譜信號(hào)的確認(rèn)不僅要看主要同位素峰的精確m/z，主要同位素峰的相對(duì)豐度也是重要的定性分析依據(jù)。將高分辨質(zhì)譜分析所獲得的m/z數(shù)據(jù)信息與圖譜中的同位素峰輪廓分析[20]相結(jié)合，是碳硼烷化合物有效的質(zhì)譜定性分析策略。

2.3 碳硼烷類化合物DART離子化的可能機(jī)理探討

EI-MS技術(shù)是碳硼烷類化合物常用的質(zhì)譜分析手段，文獻(xiàn)中鄰-碳硼烷(1，2-C2B10H12)的電離能(Ionization energy，IE)為10.1 eV[20-21]。EI質(zhì)譜技術(shù)采用70 eV電子，因此能夠?qū)崿F(xiàn)大多數(shù)碳硼烷及其衍生物的電離，但在實(shí)際分析中由于揮發(fā)性、熱穩(wěn)定性和解吸性能的限制，有些碳硼烷化合物可能無法實(shí)現(xiàn)有效的EI質(zhì)譜分析。此外含有取代基的碳硼烷化合物在EI中容易發(fā)生裂解或產(chǎn)生脫H2的離子物種，比如在NIST譜庫中鄰-碳硼烷EI圖譜中豐度最高的離子是142m/z而不是144m/z[22]。ESI質(zhì)譜技術(shù)對(duì)離子型碳硼烷及其衍生物有較好的響應(yīng)，但是對(duì)于一些極性較低的碳硼烷化合物難以得到較好的分析結(jié)果。

盡管鄰-碳硼烷的IE低于DART離子化中He亞穩(wěn)態(tài)的能量(19.8 eV)[23]，但在DART正離子條件下，并未發(fā)現(xiàn)本文所研究的碳硼烷化合物由潘寧電離所生成的碳硼烷化合物自由基正離子，僅是一些含有芳基取代的碳硼烷化合物得到[M+H]+或[M+NH4]+信號(hào)，更為普遍的是碳硼烷化合物在DART負(fù)離子條件下都能得到較好的質(zhì)譜信號(hào)，形成[M-H]-或[M+Cl]-?？赡艿脑蚴牵孩偬寂鹜榛\上極化的C—H鍵是偏弱酸性的C—H質(zhì)子[24-25]，因此丟失碳硼烷籠上極化的C—H鍵的質(zhì)子或者是取代基上的活潑質(zhì)子，是碳硼烷化合物在DART負(fù)離子條件下形成[M-H]-的可能原因；②籠結(jié)構(gòu)的“缺電性”使得中性的碳硼烷類化合物容易與負(fù)離子結(jié)合，因此容易生成[M+Cl]-。本研究中所用的溶劑是二氯甲烷，可能對(duì)形成[M+Cl]-有促進(jìn)作用，此外在溶劑中加入微量的NH4Cl也能較好地促進(jìn)加合離子的生成。

具有特殊的芳香性、獨(dú)特電子構(gòu)型和剛性分子結(jié)構(gòu)的碳硼烷類化合物，在生物、藥學(xué)、光學(xué)、材料等多個(gè)領(lǐng)域有越來越多的廣泛應(yīng)用。本文發(fā)展了適合碳硼烷類化合物的DART高分辨質(zhì)譜分析方法和相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析手段，對(duì)碳硼烷類化合物的結(jié)構(gòu)表征有關(guān)鍵價(jià)值，同時(shí)對(duì)同位素信息比較復(fù)雜的有機(jī)化合物與復(fù)合物的結(jié)構(gòu)表征和高分辨質(zhì)譜分析也有一定的借鑒意義。

3 結(jié) 論

本文運(yùn)用傅里葉變換離子回旋共振高分辨質(zhì)譜技術(shù)對(duì)碳硼烷化合物在DART條件下所產(chǎn)生的離子進(jìn)行了研究和歸屬，通過與理論值同位素峰的精確m/z和相對(duì)豐度進(jìn)行模擬，確認(rèn)了碳硼烷化合物在DART條件下所產(chǎn)生的離子的類型與組成。研究結(jié)果表明，運(yùn)用DART-FTICR MS這一高分辨率和高通量的質(zhì)譜技術(shù)開展碳硼烷化合物的質(zhì)譜研究和測(cè)試，不僅可以快速得到高分辨質(zhì)譜分析結(jié)果，碳硼烷特征的同位素峰也可以作為快速在質(zhì)譜圖中定位含多硼質(zhì)譜信號(hào)的有效手段。碳硼烷類化合物DART離子化可能機(jī)理的探討，也支持將負(fù)離子模式的DART高分辨質(zhì)譜技術(shù)作為研究碳硼烷類化合物的優(yōu)選質(zhì)譜方法。