α-羥基-3,6-二烯化合物在APCI-TOF MS中脫羥基正離子[M-OH]+的機(jī)理研究

何 蕾，高元吉,2，趙麗娟

(1.四川師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610068；2.浙江大學(xué)化學(xué)系，浙江 杭州 310027)

α-羥基-3,6-二烯化合物可由1,3-二烯與醛、烯基鋯試劑在鎳催化下發(fā)生碳烯化三元偶聯(lián)反應(yīng)合成得到[1]，其具有的1,4-二烯是天然產(chǎn)物中一類用途廣泛的結(jié)構(gòu)單元，可轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)多樣的多烯，是多種生物活性分子中常用的結(jié)構(gòu)單元，也可作為有機(jī)合成的關(guān)鍵中間體[2-3]。因此，研究具有1,4-二烯結(jié)構(gòu)單元化合物的質(zhì)譜行為，對該類化合物的合成和開發(fā)具有重要意義。

四極桿飛行時(shí)間高分辨質(zhì)譜(QTOF-HRMS)具有分辨率高、靈敏度高、分析速度快等特點(diǎn)，可在短時(shí)間內(nèi)快速獲得化合物的結(jié)構(gòu)信息，廣泛應(yīng)用于有機(jī)分析[4]?；衔锏馁|(zhì)譜裂解途徑與其結(jié)構(gòu)相關(guān)[5]，研究化合物的質(zhì)譜碎裂過程已成為鑒別化合物、指導(dǎo)合成與開發(fā)應(yīng)用的重要手段。然而，僅根據(jù)質(zhì)譜圖推導(dǎo)裂解途徑缺乏理論數(shù)據(jù)支撐，難以準(zhǔn)確地分析化合物的質(zhì)譜峰歸屬。隨著量子化學(xué)的發(fā)展，有研究者[6-8]將密度泛函理論(DFT)應(yīng)用于質(zhì)譜氣相離子分析中，以更準(zhǔn)確地解析化合物的氣相離子過程及機(jī)理。

目前，研究人員普遍用化合物質(zhì)子化后再脫水消除的機(jī)理解釋脫羥基正離子現(xiàn)象[9-11]，尚未見通過DFT理論計(jì)算研究α-羥基-3,6-二烯化合物的質(zhì)譜離子化過程中脫羥基及脫水競爭關(guān)系的報(bào)道?；诖?，本工作以9種α-羥基-3,6-二烯化合物為例，根據(jù)其結(jié)構(gòu)中脫羥基能否與臨位有效形成芳香族-α-羥基-3,6-二烯化合物(Ⅰ)和脂肪族-α-羥基-3,6-二烯化合物(Ⅱ)2類共軛結(jié)構(gòu)，利用大氣壓化學(xué)電離飛行時(shí)間質(zhì)譜(APCI-TOF MS)技術(shù)，通過碰撞誘導(dǎo)解離(CID)對各化合物的離子峰進(jìn)行串聯(lián)質(zhì)譜分析，并用DFT理論計(jì)算結(jié)果佐證其裂解過程，旨為α-羥基-3,6-二烯化合物的快速鑒定和譜圖解析提供參考依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器與裝置

Xevo G2-XS Q-TOF高分辨質(zhì)譜儀：美國Waters公司產(chǎn)品，配有ESI/APCI復(fù)合離子源和Masslynx 4.1軟件。

1.2 主要材料與試劑

甲醇(色譜純)：美國Fisher公司產(chǎn)品；甲酸鈉(0.5 mmol/L)和亮氨酸腦啡肽(50 μg/L)：由Waters科技上海有限公司產(chǎn)品配制；1-對甲苯-十一烷-3,6-二烯-1-醇(Ⅰ-1)、1-(4-氰基-苯基)-十一烷-3,6-二烯-1-醇(Ⅰ-2)、1-(2-烯丙基氧基苯基)-十一烷-3,6-二烯-1-醇(Ⅰ-3)、1-(2-甲氧基苯基)-十一烷-3,6-二烯-1-醇(Ⅰ-4)、1-萘-十一烷-3,6-二烯-1-醇(Ⅰ-5)、1-(3-氯-苯基)-十一烷-3,6-二烯-1-醇(Ⅰ-6)、十四烷-6,9-二烯-4-醇(Ⅱ-1)、1-環(huán)己基十一烷-3,6-二烯-1-醇(Ⅱ-2)和1-苯基-十三烷-5,8-二烯-3-醇(Ⅱ-3)等9種α-羥基-3,6-二烯化合物：由四川師范大學(xué)陳斌副研究員提供，其化學(xué)結(jié)構(gòu)示于圖1，分別配制該類化合物的甲醇溶液(100 mg/L)。

圖1 α-羥基-3,6-二烯化合物及其類似物的化學(xué)結(jié)構(gòu)Fig.1 Chemical structures of α-hydroxy-3,6-diene compounds and their analogues

1.3 質(zhì)譜條件

APCI離子源，正離子檢測模式；甲酸鈉和亮氨酸腦啡肽作為校正液；毛細(xì)管電壓3.0 kV；錐孔電壓30 V；離子源溫度120 ℃；脫溶劑溫度400 ℃；電暈放電采取5.0 μA電流模式，質(zhì)量采集范圍m/z50～1 000；對獲得的脫羥基離子進(jìn)行10～30 V不同能量的CID解離；雙通取代色譜柱，進(jìn)樣量1 μL，以100%甲醇作為流動(dòng)相進(jìn)入質(zhì)譜儀分析。

1.4 DFT計(jì)算

使用密度泛函的B3LYP6-31++G(d,p)基組，分別優(yōu)化9個(gè)α-羥基-3,6-二烯化合物通過Ⅰ、Ⅱ 2種途徑得到的離子結(jié)構(gòu)式，直至檢測時(shí)無虛頻，以獲得精確、穩(wěn)定的幾何構(gòu)型，并進(jìn)行勢能計(jì)算。使用Gaussview06軟件分析計(jì)算結(jié)果。

2 結(jié)果與討論

2.1 脫羥基特征離子及串聯(lián)質(zhì)譜

9個(gè)α-羥基-3,6-二烯化合物的質(zhì)譜圖示于圖2，這些化合物具有良好的質(zhì)譜響應(yīng)，且均獲得較強(qiáng)的去羥基離子峰。根據(jù)各物質(zhì)的結(jié)構(gòu)特征，按照是否有鄰位共軛基團(tuán)與—OH離去后的碳正離子形成共軛體系，可將α-羥基-3,6-二烯化合物分為Ⅰ、Ⅱ類。正離子模式下，Ⅰ類化合物側(cè)鏈?zhǔn)チu基負(fù)離子后所形成的碳正離子能夠與苯環(huán)大π鍵形成穩(wěn)定的p-π共軛體系，為[M-OH]+；Ⅱ類化合物—OH的α、β位沒有能與之形成共軛體系的基團(tuán)，由于—OH官能團(tuán)的吸電子誘導(dǎo)效應(yīng)，其在氣相中形成脫水質(zhì)子加合離子，為[M-H2O+H]+。然而，Ⅰ類化合物先發(fā)生脫水反應(yīng)再與質(zhì)子加合后形成的離子也可能與苯環(huán)共軛。因此，有必要對這2類化合物進(jìn)行詳細(xì)分析。

注：a.Ⅰ-1；b.Ⅰ-2；c.Ⅰ-3；d.Ⅰ-4；e.Ⅰ-5；f.Ⅰ-6；g.Ⅱ-1；h.Ⅱ-2；i.Ⅱ-3圖2 α-羥基-3,6-二烯化合物及其類似物的APCI質(zhì)譜圖Fig.2 APCI mass spectra of α-hydroxy-3,6-diene compounds and their analogues

為進(jìn)一步驗(yàn)證α-羥基-3,6-二烯化合物的質(zhì)譜裂解途徑，對9個(gè)化合物二級質(zhì)譜所需的CID碰撞能量進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果列于表1，串聯(lián)質(zhì)譜圖示于附圖1(請登錄《質(zhì)譜學(xué)報(bào)》官網(wǎng)http:∥www.jcmss.com.cn下載，以下同)。

表1 9個(gè)α-羥基-3,6-二烯化合物在正離子模式下的質(zhì)譜碎片信息Table 1 Mass spectrometric fragments of nine α-hydroxy-3,6-diene compounds in positive ion mode

2.1.1Ⅰ類α-羥基-3,6-二烯化合物的質(zhì)譜裂解分析 以Ⅰ-1為例，該化合物在一級質(zhì)譜中形成穩(wěn)定的去羥基離子m/z241.197 0 [M-OH]+，通過施加15 V碰撞能量，得到m/z199.149 7、185.132 7、171.118 4等主要碎片離子。母離子丟失正丁烷后得到m/z199.149 7碎片離子，繼續(xù)發(fā)生碳鏈斷裂，丟失2個(gè)亞甲基后，碳正離子轉(zhuǎn)移，隨后碳鏈末端裂解形成m/z157.103 8、143.087 7碎片離子；碳正離子逐漸向苯環(huán)轉(zhuǎn)移，開環(huán)裂解后得到m/z131.086 0、105.070 8碎片離子，其質(zhì)譜裂解途徑示于圖3。其余Ⅰ類化合物的串聯(lián)質(zhì)譜及峰歸屬示于附圖2～5。

圖3 化合物Ⅰ-1可能的裂解途徑Fig.3 Proposed fragmentation pathways of compound Ⅰ-1

2.1.2Ⅱ類α-羥基-3,6-二烯化合物的質(zhì)譜裂解分析 以化合物Ⅱ-3為例，—OH有吸電子誘導(dǎo)效應(yīng)，會(huì)發(fā)生醇脫水反應(yīng)，一級質(zhì)譜形成離子m/z255.211 9[M-H2O+H]+，在15 V碰撞能量下依次經(jīng)過3次碳鏈裂解得到m/z213.164 1、171.118 4、157.101 2碎片離子。接下來主要有2條裂解途徑：1) 繼續(xù)發(fā)生碳鏈裂解得到m/z117.118 4、91.055 4碎片離子，并且在碳鏈裂解過程中雙鍵轉(zhuǎn)移生成更穩(wěn)定的中間體；2) 碳正離子轉(zhuǎn)移至苯環(huán)發(fā)生開環(huán)裂解得到m/z131.086 0碎片離子，可能的裂解途徑示于圖4。其余Ⅱ類化合物詳細(xì)的裂解途徑示于附圖6、7。

圖4 化合物Ⅱ-3可能的裂解途徑Fig.4 Proposed fragmentation pathways of compound Ⅱ-3

2.2 DFT勢能計(jì)算

Ⅰ類物質(zhì)失去—OH所形成的碳正離子能夠與苯環(huán)形成共軛體系，以Ⅱ類方式脫水后加合質(zhì)子也可形成共軛結(jié)構(gòu)，傾向于Ⅱ類過程?；诖?，對α-羥基-3,6-二烯化合物的質(zhì)譜裂解途徑進(jìn)行系統(tǒng)的DFT計(jì)算，比較9個(gè)化合物Ⅰ、Ⅱ兩類途徑得到的碳正離子勢能，各化合物的最低勢能結(jié)構(gòu)及勢能值分別列于表2和示于附圖8。結(jié)果表明，大多數(shù)化合物的推導(dǎo)是合理的，Ⅰ類化合物裂解得到離子的最優(yōu)結(jié)構(gòu)式能量低于Ⅱ方式(能量Ⅰ<Ⅱ)，Ⅱ類化合物裂解得到離子的最優(yōu)結(jié)構(gòu)式能量更低(能量Ⅱ<Ⅰ)，各化合物的最優(yōu)離子結(jié)構(gòu)詳細(xì)DFT數(shù)據(jù)列于附表1。然而，經(jīng)DFT精確計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，Ⅰ-2、Ⅰ-5和Ⅰ-6化合物若按照Ⅰ方式形成[M-OH]+離子，該結(jié)構(gòu)式能量大于Ⅱ方式得到的[M-H2O+H]+離子，因此，這3個(gè)化合物的最低勢能離子對應(yīng)Ⅱ類化合物途徑。以化合物Ⅰ-2為例，其在一級質(zhì)譜中形成的離子m/z252.178 4 [M-OH]+經(jīng)30 V碰撞能量，Ⅰ過程碎片離子無法正確歸屬，Ⅱ過程形成的離子m/z252.178 4 [M-H2O+H]+具有更低的勢能，串聯(lián)質(zhì)譜具有更合理的歸屬，示于圖5。Ⅰ-2正確的裂解途徑是在一級質(zhì)譜下由于—OH的吸電子效應(yīng)發(fā)生脫水反應(yīng)后，正離子模式下質(zhì)子化形成離子m/z252.178 4 [M-H2O+H]+，在30 V碰撞能量下，首先發(fā)生碳鏈斷裂得到m/z208.114 0碎片離子，經(jīng)2條途徑分別得到m/z167.077 7、194.098 4碎片離子，但—CN較穩(wěn)定，因此其裂解途徑是先得到m/z194.089 4碎片離子，且碳正離子與苯環(huán)相連成環(huán)狀結(jié)構(gòu)，再失去—CN基團(tuán)得到m/z167.077 7碎片離子。另一途徑是末端碳正離子與含負(fù)電性的碳碳雙鍵相連得到m/z180.082 3碎片離子，然后碳正離子向苯環(huán)轉(zhuǎn)移并丟失碳得到m/z154.067 3碎片離子，最后發(fā)生—CN裂解和開環(huán)裂解分別得到m/z127.056 1、116.050 4碎片離子。同理，經(jīng)DFT計(jì)算證明，化合物Ⅰ-5、Ⅰ-6先發(fā)生脫水反應(yīng)，再質(zhì)子化形成離子[M-H2O+H]+，然后在二級質(zhì)譜中15 V碰撞能量下發(fā)生裂解，具體的裂解途徑示于附圖9、10。

圖5 化合物Ⅰ-2經(jīng)Ⅰ、Ⅱ去羥基離子的二級質(zhì)譜裂解途徑和最佳的氣相穩(wěn)定結(jié)構(gòu)Fig.5 MS/MS fragmentation pathways of compound Ⅰ-2 through Ⅰ and Ⅱ processes and optimized gas-phase lowest-energy structures

表2 9個(gè)α-羥基-3,6-二烯化合物Ⅰ、Ⅱ裂解方式勢能比較Table 2 Thermal energy comparison of nine α-hydroxy-3,6-diene compounds during Ⅰ and Ⅱ fragmentation pathways

通過計(jì)算對比Ⅰ、Ⅱ兩種裂解方式的鍵能，質(zhì)譜裂解傾向于生成鍵能更低的離子，驗(yàn)證了對Ⅰ、Ⅱ類α-羥基-3,6-二烯化合物裂解途徑的推導(dǎo)，從理論上解釋了兩類化合物質(zhì)譜圖的差異性。

3 結(jié)論

本工作采用APCI-TOF MS方法結(jié)合量子化學(xué)密度泛函理論計(jì)算，在正離子模式下對9個(gè)α-羥基-3,6-二烯化合物進(jìn)行分類，并對其質(zhì)譜裂解機(jī)理進(jìn)行深入研究。結(jié)果表明，Ⅰ類易直接形成去羥基正離子，Ⅱ類易形成[M-H2O+H]+離子，質(zhì)譜離子傾向于生成鍵能更低的氣相穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，簡單的CID裂解推導(dǎo)對于大多數(shù)α-羥基-3,6-二烯化合物是適用的，但少數(shù)化合物存在不合理性，需要理論數(shù)據(jù)支撐。將質(zhì)譜圖與DFT理論計(jì)算相結(jié)合，從勢能角度出發(fā)，可為進(jìn)一步研究α-羥基-3,6-二烯化合物的質(zhì)譜裂解及結(jié)構(gòu)解析提供理論依據(jù)。

致謝：感謝四川師范大學(xué)陳斌副研究員提供的樣品。