硝基取代位點對質(zhì)子化硝基苯并咪唑離子紫外光解離的影響

張凱林，杜夢穎，許一澄，李樹奇，崔永亮，張 森，馬利福，汪 曣，孔祥蕾,3

(1.天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院，天津 300072；2.南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院元素有機化學(xué)國家重點實驗室，天津 300071；3.南開大學(xué)化學(xué)科學(xué)與工程創(chuàng)新中心，天津 300071)

硝基咪唑類化合物廣泛用于高能材料，如爆炸物、推進劑等,在動力學(xué)研究中一直受到廣泛關(guān)注[1-2]。這類化合物中的一些分子具有良好的滅菌作用，被用于一些疾病的治療[3-4]。同時，該類分子也可以作為放射致敏劑用于一些放射性治療[5]。在正電子放射斷層造影術(shù)(PET)中，該類化合物常被用作腫瘤缺氧的顯像劑[6-7]。近年來，由于硝基咪唑類化合物在放射性治療、顯像等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，其光解離機理及其相關(guān)的物理化學(xué)性質(zhì)研究受到科學(xué)家的關(guān)注[6-7]。

在氣相中研究硝基咪唑類化合物可消除溶劑效應(yīng)的干擾，更直接地展示該類化合物的性質(zhì)。1979年，Kajfe?等[8]使用光電子能譜法對甲基硝基咪唑分子進行了研究。2014年，F(xiàn)eketeova等[9]利用線性離子阱-傅里葉變換離子回旋共振質(zhì)譜儀對尼莫拉唑和米索硝唑進行了系統(tǒng)的研究，發(fā)現(xiàn)負(fù)離子模式下這些放射增感劑的電噴霧離子化會導(dǎo)致形成自由基陰離子，并進一步利用碰撞誘導(dǎo)解離(CID)對其裂解反應(yīng)進行研究。該課題組隨后使用X射線光電子能譜法在氣相中對此類化合物進行了研究[10]，并使用CID和電子誘導(dǎo)解離(EID)研究不同取代位點的硝基咪唑質(zhì)子化陽離子、自由基陽離子及其丟氫陰離子的解離機理[11]。結(jié)合理論計算，推測2-硝基咪唑丟失H2O的解離通道是由于發(fā)生了2次H原子轉(zhuǎn)移而造成的。Cartoni和Bolognesi等[12-13]使用光電子-光離子符合譜(PEPICO)研究了2-硝基咪唑和4(5)-硝基咪唑在真空紫外激光照射下的光解離碎片，結(jié)合理論計算，針對部分通道的單重態(tài)及三重態(tài)解離過程進行對比，該工作著重解釋了NOCO解離通道，并分析了取代位點對這一過程的影響。除此之外，一些課題組使用不同的實驗裝置針對氣相中的硝基咪唑類分子進行了有意義的工作[14-18]。

本研究擬選擇硝基苯并咪唑類分子進行紫外光解離(UVPD)質(zhì)譜和光譜的研究。硝基苯并咪唑分子中含有苯環(huán)，吸收紫外光子后，其中的電子被激發(fā)，導(dǎo)致質(zhì)子化的硝基苯并咪唑分子發(fā)生解離。選擇2-硝基苯并咪唑(2-NBI)、5-硝基苯并咪唑(5-NBI)和7-硝基苯并咪唑(7-NBI)，結(jié)構(gòu)式示于圖1，重點研究硝基不同取代位點對3種硝基苯并咪唑解離通路的影響，并進一步利用理論計算對各化合物的解離機理進行研究。

圖1 2-NBI(a)、5-NBI(b)及7-NBI(c)的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structures of 2-NBI (a), 5-NBI (b) and 7-NBI (c)

1 實驗部分

1.1 實驗方法

在課題組搭建的基于傅里葉變換離子回旋共振質(zhì)譜儀(FT-ICR-MS)的超寬波段光解離質(zhì)譜-光譜系統(tǒng)上進行實驗[19]。該系統(tǒng)使用7.0 TFTICR質(zhì)譜儀(美國IonSpec公司產(chǎn)品)，可調(diào)諧紫外-可見OPO激光器(EKSPLA,NT-342C,立陶宛)。 具體的實驗裝置可參考文獻[20]，這里只對實驗方法做簡單描述。不同樣品的離子均由ESI電離源產(chǎn)生，其中5-NBI (純度95%)為研峰科技(北京)有限公司產(chǎn)品，2-NBI(純度95%)和7-NBI(純度97%)為上海畢得醫(yī)藥科技有限公司產(chǎn)品。所有樣品使用甲醇-水-乙酸混合溶液(49∶49∶2，V/V/V)溶解，3種樣品溶液的濃度為2 mmol/L。為得到穩(wěn)定的質(zhì)譜信號，在正離子模式下，以2-NBI、5-NBI和7-NBI溶液為待測物，對ESI離子源的噴針電壓進行優(yōu)化，最佳電壓分別為2.9、3.1和2.5 kV。由ESI源產(chǎn)生的離子經(jīng)四極桿注入FT-ICR分析池，進一步使用存儲波形的傅里葉逆變換(stored waveform inverse fourier transform, SWIFT)[21]方法選擇待測目標(biāo)離子，進行CID或UVPD實驗。碰撞誘導(dǎo)解離實驗通過持續(xù)非共振輻射(sustained off-resonance irradiation, SORI)的方法得以實現(xiàn)[22]。實驗中Vb-p設(shè)置為1.8 V，激發(fā)時間為100 ms，頻率偏移為1 000 Hz。

在UVPD實驗中，激光的典型能量為3 mJ/pulse，每個脈沖寬度5 ns，頻率10 Hz，照射時間2 s。其中2-NBI的“Action”光譜掃描范圍為210～370 nm，5-NBI和7-NBI的光譜掃描范圍為210～320 nm，所有光譜的掃描步長為1 nm。以波長為橫坐標(biāo)(x,nm)，相對光譜強度為縱坐標(biāo)(y)，繪制了3種化合物的紫外光解離光譜，總光譜每個點的相對光譜強度(IR)由式(1)計算得到：

IR=∑Ii/(∑Ii+Ip)

(1)

單通道產(chǎn)率光譜每個點的相對光譜強度(IRi)則由式(2)計算得到：

IRi=Ii/(∑Ii+Ip)

(2)

其中，Ip和Ii分別表示母離子的強度和各碎片離子的強度。

1.2 理論計算

使用GAUSSIAN 09軟件[23],利用B3LYP[24-25]泛函在6-311++g(d,p)水平下進行質(zhì)子化2-NBI、5-NBI和7-NBI離子的幾何構(gòu)型優(yōu)化。所有過渡態(tài)(TS)的構(gòu)型優(yōu)化同樣使用B3LYP泛函在6-311++g(d,p)水平下進行，并使用內(nèi)稟反應(yīng)坐標(biāo)(intrinsic reaction coordinates, IRC)計算進行驗證，以確保計算出的過渡態(tài)是反應(yīng)物與產(chǎn)物的連接點。文中展示的所有能量全部經(jīng)過零點能校正。

2 結(jié)果與討論

2.1 CID及UVPD質(zhì)譜

2-NBI、5NBI和7-NBI的CID質(zhì)譜圖示于圖2， 2-NBI的質(zhì)子化離子經(jīng)過碰撞后產(chǎn)生了m/z134 和118碰撞解離碎片。m/z118碎片離子為C-N斷裂導(dǎo)致NO2·解離而產(chǎn)生，m/z134碎片離子是NO·解離所形成。這2個解離通道與文獻[11,13]報道的硝基咪唑裂解結(jié)果一致。5-NBI和7-NBI離子在碰撞后均只出現(xiàn)m/z118解離碎片，即使改變碰撞能，仍未出現(xiàn)m/z134碎片離子的信號。

圖2 2-NBI(a)，5-NBI(b)，7-NBI(c)的CID質(zhì)譜圖Fig.2 CID mass spectra of 2-NBI (a), 5-NBI (b) and 7-NBI (c)

3種同分異構(gòu)體質(zhì)子化離子在225 nm激光照射下得到的光解離質(zhì)譜圖示于圖3。在此波長激光照射下，2-NBI產(chǎn)生的光解離碎片離子與CID碎片離子相比，除了發(fā)生NO2·和NO·解離產(chǎn)生m/z118 和134碎片離子，還出現(xiàn)了由OH·解離產(chǎn)生的m/z147碎片離子以及由NOCO解離產(chǎn)生的m/z106碎片離子。5-NBI的碎片離子僅有3種，除了在2-NBI的質(zhì)譜圖中出現(xiàn)了m/z118和m/z106離子，還在m/z148處觀察到強度較弱的由O原子解離所形成的碎片離子峰，未測到m/z134。對于7-NBI，其解離結(jié)果與2-NBI相似，僅多了1個碎片離子m/z117。

圖3 2-NBI(a)，5-NBI(b)，7-NBI(c)的225 nm UVPD質(zhì)譜圖Fig.3 225 nm UVPD mass spectra of 2-NBI (a), 5-NBI (b)and 7-NBI (c)

3個化合物均出現(xiàn)了m/z106碎片離子，對圖3a和3c中的m/z134碎片離子進行進一步光照解離(即MS3串聯(lián)質(zhì)譜分析實驗)，發(fā)現(xiàn)來自2-NBI和7-NBI的m/z134碎片離子受到紫外激光照射后會再次解離，有且僅有m/z106碎片離子出現(xiàn)，即2-NBI和7-NBI出現(xiàn)的m/z106碎片離子應(yīng)主要來自m/z134碎片離子的進一步解離。5-NBI的裂解碎片沒有m/z134，故其m/z106碎片離子的形成機理很可能與2-NBI和7-NBI不同。

當(dāng)采用波長較長的紫外激光進行實驗時，與225 nm波長結(jié)果相比，3種同分異構(gòu)體離子的解離碎片種類和相對強度均發(fā)生了一定改變。280 nm紫外激光的實驗結(jié)果示于圖4，其中2-NBI同時出現(xiàn)了m/z146、147碎片離子，分別對應(yīng)H2O和OH·的解離。在5-NBI的光解離質(zhì)譜圖中，沒有檢測到m/z148碎片離子，表明隨著激光光子能量降低，其能量已無法滿足m/z148碎片離子的產(chǎn)生條件。對于7-NBI，m/z106碎片離子的質(zhì)譜強度非常低，說明280 nm激光光子提供的能量已接近該碎片離子產(chǎn)生所需的能壘。

圖4 2-NBI(a)，5-NBI(b) and 7-NBI(c)的280 nm UVPD質(zhì)譜圖Fig.4 280 nm UVPD mass spectra of 2-NBI (a), 5-NBI (b) and 7-NBI (c)

2.2 UVPD光譜

3種質(zhì)子化硝基苯并咪唑同分異構(gòu)體的紫外光解離光譜圖示于圖5。3種同分異構(gòu)體質(zhì)子化陽離子的UVPD光譜圖的譜峰位置和峰形有明顯不同，通過對比三者的光解離光譜，可進行有效區(qū)分。通過進一步對比和分析，3種質(zhì)子化離子的光譜特征與硝基取代位置的相關(guān)度較大。其中2-NBI的硝基連接在咪唑氮雜環(huán)的C2上，其取代位點距離苯環(huán)最遠，光譜中出現(xiàn)了2個較明顯的光譜吸收峰，在210～250 nm波段內(nèi)光譜峰的強度相對較低，在250～360 nm波段內(nèi)出現(xiàn)了較強的光譜吸收峰，在360 nm后未測到吸收(圖5a)。5-NBI的光譜吸收帶僅延伸到290 nm(圖5b)，光譜吸收范圍最窄。而7-NBI分子中的硝基與苯環(huán)的C7連接，其位置介于苯環(huán)與咪唑環(huán)之間，受到苯環(huán)與咪唑環(huán)的雙重影響，其光譜吸收帶可延伸到300 nm附近(圖5c)。

注：a.2-NBI；b.5-NBI；c.7-NBI

2.3 解離機理研究

2.3.1m/z146,m/z147和m/z148通道

為進一步研究硝基取代位點對光解離的影響，本研究分析了解離動力學(xué)勢能面和相應(yīng)碎片離子的單通道紫外光解離光譜。在210～370 nm波段內(nèi)，2-NBI的m/z147、146兩個解離通道的產(chǎn)率光譜示于圖6a，在210～270 nm波段內(nèi)，m/z147通道為優(yōu)勢通道，m/z146通道的光譜強度較低；在280 nm后m/z147通道的光譜強度隨著光子能量的降低逐漸降低，m/z146通道成為優(yōu)勢通道。由實驗光譜(圖6a)可知，2-NBI-FI-146和2-NBI-FI-147通道為一對競爭通道。2-NBI的硝基連接在咪唑環(huán)2個N原子中間的C上，硝基上的O原子距離咪唑環(huán)上的2個N原子較近，咪唑氮雜環(huán)上的N—H鍵相對活潑，致使連接在N上較活潑的H原子更容易被轉(zhuǎn)移。通過計算以上2個通道的解離動力學(xué)勢能面，可知m/z147和m/z146離子分別是通過1次和2次H原子轉(zhuǎn)移之后導(dǎo)致OH·及H2O解離而形成的，結(jié)果示于圖7a。觀察最終的解離產(chǎn)物，2-NBI-FI-147+OH·的能量略高于2-NBI-FI-146+H2O的能量。結(jié)合完整勢能曲線，可較好地解釋實驗中這2個反應(yīng)通路的競爭趨勢。

在210～320 nm波段內(nèi)，5-NBI的m/z148通道的紫外光解離產(chǎn)率光譜示于圖6b。該通道的光譜強度始終較低，且吸收帶僅延伸到230 nm。由圖3b和4b可見，質(zhì)子化5-NBI離子在吸收紫外光子后未出現(xiàn)m/z147和m/z146碎片離子，表明其在解離過程中并未發(fā)生H原子的轉(zhuǎn)移。通過分析質(zhì)子化5-NBI的構(gòu)型(圖9b)，其硝基連接在距離咪唑環(huán)最遠的C5上，硝基上的O原子距離咪唑環(huán)上的H原子較遠，導(dǎo)致O原子無法與咪唑環(huán)N原子上的活潑H原子發(fā)生相互作用。因此，5-NBI不產(chǎn)生m/z147 和m/z146。

注：a.2-NBI中產(chǎn)生的 m/z 147 和 146離子；b.5-NBI 中產(chǎn)生的m/z 148離子；c.7-NBI 中產(chǎn)生的m/z 147離子

在210～320 nm波段內(nèi)，7-NBI的m/z147通道的產(chǎn)率光譜示于圖6c，僅產(chǎn)生碎片離子m/z147，未出現(xiàn)m/z146離子。質(zhì)子化7-NBI離子的硝基連接在苯環(huán)的C7上，處于苯環(huán)與咪唑環(huán)之間。通過計算其解離動力學(xué)勢能面，7-NBI-FI-147通道經(jīng)歷了TS1(7)過渡態(tài)形成IM1(7)中間態(tài)，在此過程中咪唑環(huán)上的1個活潑H原子轉(zhuǎn)移到硝基的O原子上，示于圖7b。7-NBI-FI-147通道經(jīng)歷了TS1(7)過渡態(tài)形成IM1(7)中間態(tài)，完成了對咪唑環(huán)上活潑H原子的轉(zhuǎn)移。由于硝基的連接位置，O原子距離另1個活潑H原子較遠，但與C6相連的H原子為苯環(huán)上的穩(wěn)定H原子，穩(wěn)定的C—H鍵導(dǎo)致C6上的H原子很難轉(zhuǎn)移，無法產(chǎn)生m/z146碎片離子。

注：a.2-NBI；b.7-NBI；所有計算在B3LYP/6-311++g(d,p)水平下進行，所示能量經(jīng)過零點能校正，單位為eV

2.3.2m/z134和m/z106 通道 在210～370 nm波段內(nèi)，質(zhì)子化2-NBI的m/z134、106光解離碎片離子的產(chǎn)率光譜示于圖8a。這2個解離通道的相對光譜強度在250 nm之前基本相同；在250～310 nm波段內(nèi)，m/z106離子的產(chǎn)率高于m/z134；在310 nm之后呈現(xiàn)出相反趨勢。上述2個通道的解離動力學(xué)勢能面示于圖9a。質(zhì)子化2-NBI離子經(jīng)過TS4(2)過渡態(tài)，形成了IM4(2)的中間態(tài)，需要跨越2.31 eV的能壘，但此過程為放熱過程，在NO·解離后形成了2-NBI-FI-134碎片離子，為硝基解離中較常見的通道。該離子再次吸收光子進行二次解離需跨越3.02 eV的能壘，丟失CO碎片形成2-NBI-FI-106碎片離子。由其計算的勢能曲線可知，產(chǎn)生m/z106離子需跨越的能壘(TS5(2))比m/z134離子(TS4(2))高0.71 eV。

注：a.2-NBI中產(chǎn)生的m/z 134和106離子；b.5-NBI中產(chǎn)生的m/z 106離子；c.7-NBI中產(chǎn)生的m/z 134和106離子

注：a.2-NBI；b.5-NBI；c.7-NBI；所有計算在B3LYP/6-311++g(d,p)水平下進行，所示能量經(jīng)過零點能校正，單位為eV

質(zhì)子化5-NBI在210～320 nm波段激光照射下m/z106碎片離子的產(chǎn)率光譜示于圖8b。由5-NBI產(chǎn)生的m/z106通道光譜強度相對較低，且m/z106碎片是在沒有m/z134碎片產(chǎn)生的情況下獨立出現(xiàn)的。m/z106通道的解離動力學(xué)勢能面示于圖9b，在經(jīng)過IM1(5)中間態(tài)后，NO·自由基被苯環(huán)的π共軛體系吸引并未發(fā)生解離，使苯環(huán)發(fā)生裂解，經(jīng)過TS2(5)過渡態(tài)形成IM2(5)中間態(tài)。該離子在失去了π共軛結(jié)構(gòu)之后，末端的NO基團變得不穩(wěn)定，與另一個同樣不穩(wěn)定的CO基團相互作用。在經(jīng)歷了TS3(5)過渡態(tài)之后形成了雙五元環(huán)連接CNO2結(jié)構(gòu)的IM3(5)。最終CNO2基團與雙五元環(huán)結(jié)構(gòu)連接的C—C鍵發(fā)生斷裂，形成了5-NBI-FI-106離子，原本的CNO2基團由于其結(jié)構(gòu)相當(dāng)不穩(wěn)定而裂解成NO·中性自由基及CO分子。

在210～320 nm波段內(nèi)，質(zhì)子化7-NBI的m/z134、106碎片離子的產(chǎn)率光譜示于圖8c，與質(zhì)子化2-NBI的光譜類似。在250 nm之前，2個解離通道的光譜強度基本相同；在250～290 nm波段內(nèi)，m/z134通道的光譜強度始終大于m/z106通道。由圖9c可知，7-NBI-FI-134碎片離子為苯環(huán)上硝基的NO·解離所致，此過程需要經(jīng)過TS3(7)過渡態(tài)，此過渡態(tài)的能壘為2.73 eV。7-NBI-FI-134離子在吸收紫外光子后導(dǎo)致苯環(huán)裂解，經(jīng)過了過渡態(tài)TS4(7)形成了IM4(7)中間態(tài)，此過程需跨越最高3.23 eV的能壘，比形成7-NBI-FI-134離子所需跨越的能壘高0.5 eV，解釋了m/z134通道的光譜強度始終高于m/z106通道的原因，且發(fā)現(xiàn)m/z134通道所需的能量要略低于m/z106通道。

2.3.3其他解離碎片 其他碎片離子的結(jié)構(gòu)示于圖10。2-NBI-FI-118為C—N鍵斷裂生成的m/z118碎片離子，2-NBI-FI-105為質(zhì)子化2-NBI的m/z106碎片離子再次吸收光子導(dǎo)致N—H鍵斷裂而形成的自由基碎片陽離子，類似的H自由基解離在芳香族氨基酸的紫外光解離中比較常見[26-28]。5-NBI-FI-148為m/z148碎片離子，其形成機理已在上文討論過；5-NBI-FI-118為硝基直接解離形成的m/z118碎片陽離子；7-NBI-FI-118為硝基直接解離形成的m/z118碎片離子；7-NBI-FI-117為m/z118離子再次吸收1個紫外光子而形成的m/z117自由基陽離子。

圖10 其他光解離碎片離子結(jié)構(gòu)Fig.10 Structures of other photodissociation fragment ions

3 結(jié)論

本工作通過UVPD質(zhì)譜與光譜，實現(xiàn)了3種不同取代位點硝基苯并咪唑同分異構(gòu)體的區(qū)分，結(jié)合實驗和理論計算，對質(zhì)子化2-NBI、5-NBI和7-NBI離子的解離通道進行了較為系統(tǒng)的研究。結(jié)果表明，3種質(zhì)子化離子的紫外光解離光譜特征與其硝基取代位點的相關(guān)性很高。其中2-NBI的硝基取代位點位于距離苯環(huán)最遠的咪唑環(huán)上，其光譜吸收帶可延伸到約360 nm，且解離碎片的種類最多；5-NBI的硝基取代位點在苯環(huán)上，且距離咪唑環(huán)較遠，光解離碎片的種類最少，在290 nm之后不再有吸收；7-NBI的硝基介于苯環(huán)與咪唑環(huán)之間，其解離碎片的種類數(shù)量介于2-NBI及5-NBI之間，光譜吸收帶可延伸至300 nm。

從解離通道來看，2-NBI的UVPD質(zhì)譜中出現(xiàn)了m/z146、147碎片離子峰；5-NBI的質(zhì)譜圖中只出現(xiàn)m/z148離子峰；7-NBI只可測到m/z147碎片離子。通過DFT計算所得的勢能曲線，2-NBI中觀察到的m/z147、146離子分別是由于咪唑環(huán)N原子上的1個和2個活潑H原子轉(zhuǎn)移導(dǎo)致OH·、H2O丟失而形成的。對于5-NBI，由于其硝基距離咪唑環(huán)較遠，無法發(fā)生類似的H原子轉(zhuǎn)移，故只能得到m/z148(O丟失)碎片。7-NBI的硝基介于苯環(huán)與咪唑環(huán)之間，能夠但僅能實現(xiàn)1次H轉(zhuǎn)移，所以只檢測到m/z147(OH·丟失)碎片。同時，對實驗中測到的m/z134、106碎片離子對應(yīng)的解離通道進行了詳細(xì)分析和討論。

本文結(jié)果表明，結(jié)合UVPD質(zhì)譜法和UVPD光譜法可有效區(qū)分多種同分異構(gòu)體。取代基的位置不僅對其紫外光解離光譜有重要影響，也能直接影響這些異構(gòu)體的UVPD解離過程中伴隨的H轉(zhuǎn)移，從而使它們的光解離碎片離子的種類或分布有明顯不同。這些差異為相應(yīng)的離子提供了新的結(jié)構(gòu)信息，其光譜學(xué)特征和光解離過程中產(chǎn)生的碎片離子的結(jié)構(gòu)和活性的差異可能與這些化合物在較復(fù)雜的環(huán)境中(如生物介質(zhì))表現(xiàn)出的不同反應(yīng)機制(如放射性致敏作用)密切相關(guān)。