氣相色譜-紅外光譜輔助氣相色譜-質譜鑒定烷基膦酸酯類化合物同分異構體

摘要 有機膦神經(jīng)性毒劑是最具威脅的化學戰(zhàn)劑和恐怖劑?；瘜W武器核查關注的神經(jīng)性毒劑及其相關物逾千萬種，其中同分異構體占大多數(shù)，對其結構進行準確鑒定一直是化武核查分析的難點問題之一。本研究采用氣相色譜-紅外光譜聯(lián)用技術輔助氣相色譜-質譜聯(lián)用技術，對設計合成的5 組共計17 種烷基膦酸酯類同分異構體和結構類似物的譜圖進行了差異比較和系統(tǒng)分析。結果表明，對于質譜圖相似的同分異構體或結構類似物，紅外光譜可提供更多的化合物結構“指紋”信息，在確證結構構型方面具有優(yōu)勢。結合氣相色譜優(yōu)良的分離能力，氣相色譜-紅外光譜聯(lián)用技術可輔助氣相色譜-質譜聯(lián)用技術用于烷基膦酸酯類化合物結構的確證，實現(xiàn)對同分異構體或結構類似物的快速鑒別和準確鑒定。

關鍵詞 烷基膦酸酯；同分異構體；氣相色譜-紅外光譜聯(lián)用；氣相色譜-質譜聯(lián)用；神經(jīng)性毒劑；結構鑒定

有機膦神經(jīng)性毒劑為速殺性化學毒劑，也是最具威脅的化學戰(zhàn)劑和恐怖劑。按照國際《禁止化學武器公約》（以下簡稱《公約》）核查附表，化學武器核查關注的神經(jīng)性毒劑及其相關物逾千萬種，而同分異構體占大多數(shù)。如神經(jīng)性毒劑合成的主要前體—烷基膦酸酯類化合物，主要被列在《公約》核查化學品附表2 B.04 類中，其化合物結構通式為RP（O）（OR1）OR2，其中R 為甲基、乙基、丙基或異丙基，R1 與R2 均為C 原子數(shù)目≤10 的任意基團（結構通式見圖1）。這是一類數(shù)量龐大、結構相似的化合物，且存在大量同分異構體，對其進行準確的結構鑒定一直是化武核查分析的難點之一。烷基膦酸酯類化合物檢測方法包括氣相色譜-質譜聯(lián)用法（GC-MS）[1]、液相色譜-質譜聯(lián)用法（LC-MS）[2]、核磁共振波譜法（NMR）[3]、離子遷移譜法（IMS）[4]、拉曼光譜法[5]、氣相色譜-傅里葉紅外光譜聯(lián)用法（GC-FTIR）[6]等。其中GC-MS 因靈敏度高、重復性好，且有標準質譜數(shù)據(jù)庫可進行自動譜圖檢索，是化武核查分析特別是現(xiàn)場化合物鑒定最常用的分析檢測技術。然而， GC-MS 標準譜圖庫無法覆蓋所有化合物。就烷基膦酸酯類化合物而言，現(xiàn)有GC-MS 數(shù)據(jù)庫僅收錄了其中很少一部分，此外還存在同分異構體或結構類似化合物質譜圖十分相似、難以明確區(qū)分的情況。因此，對大量未知化合物進行結構鑒定時，除質譜碎片信息外還需獲得化合物其它的結構特征信息來輔助進行結構構型確證。NMR 和FTIR 是除MS 外常用的結構鑒定的譜學方法。與NMR 相比， GC-FTIR 聯(lián)用技術結合了GC 良好的分離能力和FTIR 可提供豐富分子結構信息的能力，在快速定位目標化合物的同時，提供了化合物重要的結構信息[6-9]。張遠征等[10]應用該技術實現(xiàn)了V 類神經(jīng)性毒劑化合物的結構異構體的鑒別。GC-FTIR 適合作為GC-MS 的輔助分析方法，為未知化合物的準確鑒定提供了新的技術支撐。Mcgarvey等[8]對沙林類似物的GC-FTIR結果進行了分析，指出了光譜之間的相似性和差異，表明GC-FTIR 在同系物的鑒別中也具有一定的優(yōu)勢。

近年來將GC-FTIR 用于化武相關分析的研究鮮有報道。基于GC-FTIR 的特點，本研究設計合成了5 組共17 種結構相近的烷基膦酸酯類化合物作為研究對象，同時采用GC-MS 和GC-FTIR 進行分析，比較了兩種技術在分析同分異構體或結構類似物時譜圖的優(yōu)劣。探討了當異構體或結構類似化合物由于MS譜圖相似而無法準確鑒定時，根據(jù)GC-FTIR 提供的特征結構信息，輔助GC-MS 對烷基膦酸酯類化合物進行結構推測的可行性，并對烷基膦酸酯類化合物紅外光譜中部分特征結構信息進行了分析和總結。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

Agilent 6890N-5975B 氣相色譜-質譜聯(lián)用儀（美國Agilent 公司）；Agilent-7890A（美國Agilent 公司）-DANI Discov IR-GC（美國DANI公司）氣相色譜-紅外光譜聯(lián)用儀。

丁基乙基膦酸正丙酯、丁基乙基膦酸異丙酯、1-乙基-2-甲基丙基甲基膦酸正丙酯、1-乙基-2-甲基丙基甲基膦酸異丙酯、甲基-2-甲基丁基膦酸正丙酯、甲基-2-甲基丁基膦酸異丙酯、甲基-3-甲基戊基膦酸甲酯、甲基-4-甲基戊基膦酸甲酯、甲基-2-甲基環(huán)戊基膦酸甲酯、甲基-3-甲基環(huán)戊基膦酸甲酯、甲基-2-甲基環(huán)己基膦酸甲酯、甲基-3-甲基環(huán)己基膦酸甲酯、甲基-4-甲基環(huán)己基膦酸甲酯、1，2-二甲基丙基甲基膦酸甲酯、甲基-1-甲基-3-丁烯基膦酸甲酯、甲基-3-甲基-3-丁烯基膦酸甲酯和環(huán)戊基甲基膦酸甲酯均由本實驗室合成，并采用NMR 和高分辨質譜進行結構確證；甲醇和二氯甲烷（色譜純，美國Fisher公司）；無水硫酸鈉（分析純，國藥集團化學試劑有限公司）。實驗用水為Milli-Q 純水機（美國Millipore公司）制備的超純水（18.2 MΩ·cm）。

1.2 實驗方法

1.2.1 溶液配制

以二氯甲烷為溶劑，將17 種烷基膦酸酯類化合物分別配制成濃度約為0.05 mg/mL 的溶液，待進樣分析。化合物的結構信息見表1。

1.2.2 GC-MS 條件

GC 條件采用HP-5ms石英毛細管色譜柱（25 m × 0.2 mm × 0.33 μm）；載氣為氦氣，流速0.8 mL/min；進樣口溫度250 ℃；升溫程序：50 ℃保持2 min，以15 ℃/min 升至290 ℃，保持2 min；分流進樣，分流比為10∶1；進樣量2 μL。

質譜條件電離方式為EI（70 eV）；離子源溫度為230 ℃；四極桿溫度為150 ℃；溶劑延遲7 min；采用全掃描（SCAN）分析模式，掃描范圍m/z 40～550。

1.2.3 GC-FTIR 條件

GC 條件采用HP-5 石英毛細管色譜柱（32 m × 0.32 mm × 0.25 μm）；載氣為氦氣，流速2 mL/min；進樣口溫度為250 ℃；升溫程序：50 ℃保持2 min，以15 ℃/min 升至290 ℃，保持2 min；不分流進樣；進樣量為2 μL。

FTIR 條件傳輸線和沉積頭的溫度為280 ℃；MCT 檢測器溫度為35 ℃；硒化鋅盤溫度為–35 ℃，轉速3 mm/min；掃描范圍700～4000 cm–1；分辨率4 cm–1；溶劑延遲7 min。

2 結果與討論

2.1 化合物的選擇及譜圖數(shù)據(jù)分析

為了探討GC-FTIR 在輔助GC-MS 進行結構解析方面的作用，本研究根據(jù)烷基膦酸酯類化合物的結構特征，分別針對膦酸基團上不同的特定取代基團，設計合成了5 組共17 種烷基膦酸酯類化合物（表1）。每一組內(nèi)的化合物均為質譜圖高度相似的烷基膦酸酯類化合物，用于研究不同取代基團的特征紅外光譜差異。5 組化合物分別為：（1）R1 和R2 基團相同， R 基團分別為正丙基與異丙基的同分異構體；（2）R 和R1 基團相同， R2 基團分別為異構烷烴的同分異構體；（3）R 和R1 基團相同， R2 基團分別為異構環(huán)烷烴的同分異構體；（4）R 和R1 基團相同， R2 基團分別為異構不飽和烷烴（烯烴和環(huán)烷烴）時的同分異構體；（5）質譜圖及保留指數(shù)高度相似的非同分異構體化合物。其中保留指數(shù)是通過比較待測組分與正構烷烴的保留時間計算得出，是氣相色譜定性分析中的重要參數(shù)。

分別采用GC-MS 和GC-FTIR 對以上化合物進行分析，選取各化合物質譜與紅外光譜圖中的10 組強峰進行對比分析，從而更直觀地體現(xiàn)同分異構體或結構類似化合物在兩種譜圖上的差異。

2.2 僅R 基團不同的同分異構體化合物的GC-MS 及GC-FTIR 譜圖分析

化合物1～6 分別是三組膦?；硝セ嗤?，但烷基R 分別為正丙基和異丙基的同分異構體，經(jīng)GC分離后，其FTIR 譜圖見圖2A， MS 譜圖見圖2B。MS 和TFTIR 譜圖中10 組強峰的差異分析圖見圖2C。由圖2A 和2C 可見，僅R 基團不同的同分異構體質譜圖非常相似，主要碎片離子基本相同，僅在相對強度上存在少許差異。而三組化合物的FTIR 譜圖表明，在烷基膦酸酯類化合物的P=O 鍵的伸展振動頻率出現(xiàn)的1229～1260 cm–1 波數(shù)范圍內(nèi)，當R 基團為正丙基時，該波數(shù)范圍內(nèi)出現(xiàn)雙峰，而R 基團為異丙基時該波數(shù)范圍內(nèi)則出現(xiàn)單峰。因此，可將此范圍內(nèi)的特征吸收峰作為判別R 為正丙基或異丙基的依據(jù)。此外，在700～900 cm–1 范圍內(nèi)的異構體吸收峰也存在明顯的波數(shù)和強度差異。由此可見，對烷基膦酸酯類同分異構體而言， FTIR 譜圖的差異性較MS 譜圖更為明顯，因此可輔助MS 譜圖對R 基團進行準確鑒別。

2.3 R2 為異構烷烴的同分異構體化合物的GC-MS 及GC-FTIR 譜圖分析

化合物7 和8 的R2 基團分別為3-甲基戊基和4-甲基戊基，其FTIR 譜圖見圖3A， MS 譜圖見圖3B。MS 和FTIR 譜圖中10 組強峰的差異分析圖見圖3C。由圖3C 可見，兩個化合物的MS 譜圖極為相似。除了對應R2 基團上不同部位斷裂的m/z 111 和m/z 93 的兩個主要特征碎片離子外，其余碎片離子峰相對豐度均較低，呈現(xiàn)不同m/z 的碎片離子僅有3 組且豐度均很低。而在FTIR 譜圖中，在P—O—C 鍵的特征吸收峰所處的900～1100 cm–1 波數(shù)范圍內(nèi)，由于連接在O 原子上的烷基不同，振動吸收峰在波數(shù)及強度上均呈現(xiàn)顯著差異?；衔? 在1380 cm–1 波數(shù)附近呈現(xiàn)出的一組等高的雙峰則是其結構中存在偕二甲基的顯著特征。

2.4 R2 為異構環(huán)烷烴的同分異構體化合物的GC-MS 及GC-FTIR 譜圖分析

化合物9和10 的R2 基團分別為2-甲基環(huán)戊基和3-甲基環(huán)戊基，化合物11、12 和13 的R2 基團分別為鄰位、間位和對位甲基取代的環(huán)己基?；衔?～13 的FTIR 譜圖見圖4A， MS 譜圖見圖4B。MS 和FTIR圖中10 組強峰的差異分析圖見圖4C。由圖4C 可知，兩組化合物的MS 譜圖碎片離子幾乎相同，與直鏈烷烴相似，除m/z 111 和93 的碎片離子外，其余碎片離子峰的相對豐度較小。當R2 基團為2-甲基環(huán)戊基時，在FTIR 譜圖中1020～1100 cm–1 波數(shù)范圍內(nèi)出現(xiàn)單峰，甲基位于3 號位取代時則出現(xiàn)雙峰。在化合物9～13 的FTIR 譜圖中，鄰位取代時，可明顯觀察到在1050 cm–1 波數(shù)附近出現(xiàn)等高的雙峰，而間位及對位取代則呈現(xiàn)單峰?；?70 cm–1 波數(shù)附近的峰高信息以及775～825 cm–1 波數(shù)范圍內(nèi)單峰與雙峰的差異可以將間位取代與對位取代進行很好的區(qū)分。

2.5 R2 為異構不飽和烷烴的同分異構體化合物的GC-MS 及GC-FTIR 譜圖分析

化合物14 和15 的R2 基團分別為烯烴和環(huán)烷烴，其MS 譜圖見圖5A， FTIR 譜圖見圖5B， MS 和FTIR 譜圖中10 組強峰的差異分析圖見圖5C。由MS 譜圖可見，兩個化合物呈現(xiàn)的主要碎片離子基本相同，僅在個別離子豐度上存在差異。但化合物15 的FTIR 譜圖中，在890～930 cm–1 波數(shù)范圍內(nèi)出現(xiàn)環(huán)戊烷的C—C 骨架振動，在3000 cm–1 波數(shù)附近出現(xiàn)烷烴C—H 的振動吸收峰；而在1660 cm–1 波數(shù)附近可明顯地觀察到化合物14 烯烴的C=C 振動吸收峰。由此可以快速區(qū)分不飽和結構中的環(huán)烷烴和烯烴取代基。

2.6 R2 的MS 譜圖相似的非同分異構體化合物的GC-MS 及GC-FTIR 譜圖分析

化合物16 和17 是MS 譜圖和保留指數(shù)均非常相似，但不是同分異構體的一組化合物，其FTIR 譜圖見圖6A， MS 譜圖見圖6B， MS 和FTIR 譜圖中10 組強峰的差異分析圖見圖6C。兩個化合物的質譜圖中的主要特征離子基本相同，譜圖匹配度達85%，其在MS 常用的HP-5 色譜柱上的保留指數(shù)分別為1148、1152 和1154 和1157，幾乎完全重疊。而由FTIR 譜圖的差異分析圖可見，兩個化合物的FTIR 譜圖雖然在1150～1500 cm–1 波數(shù)范圍內(nèi)的P=O 及P—CH3 的振動吸收峰無明顯不同，但在指紋區(qū)的吸收峰呈現(xiàn)較大差異。在3000 cm–1 波數(shù)附近可明顯觀察到烷烴中C—H 的振動吸收峰的強度差異，由于化合物17 是不飽和烷烴，此處出現(xiàn)的振動吸收明顯弱于化合物16。化合物17 在885～895 cm–1 波數(shù)范圍內(nèi)出現(xiàn)烯烴中C—H 的振動吸收峰，并在914 cm–1 波數(shù)附近有代表—CH=CH2 特征結構的單峰，均表明該化合物結構中存在烯烴。

3 結論

本研究設計合成了5 組共17 種烷基膦酸酯類化合物，通過比較MS 和FTIR 譜圖的分析結果，利用GC-FTIR 輔助GC-MS 對烷基膦酸酯類化合物進行結構確證。在對未知烷基磷酸酯類化合物的同分異構體鑒別中，可通過FTIR 譜圖中1150～1500 cm–1 波數(shù)范圍內(nèi)的特征吸收峰直接確定R 基結構，其中R 基為正丙基和異丙基異構的化合物的FTIR 譜圖中存在十分明顯的雙峰與單峰的差異，相較GC-MS，可實現(xiàn)正丙基膦酸酯與異丙基膦酸酯類化合物的直接區(qū)分鑒定。3000 cm–1 波數(shù)附近及1000 cm–1 波數(shù)附近則提供了R1 與R2 基團的結構信息， R2 為異構的環(huán)烷基和烯基時， 1000 cm–1 波數(shù)附近的譜峰具有明顯差異，而二者的MS 譜圖主要特征離子沒有區(qū)別，在區(qū)分鑒定具有相似質譜圖非同分異構體的R2 基團時也發(fā)現(xiàn)了類似現(xiàn)象；而對于環(huán)烷烴的鄰、間、對位烷基取代的同分異構化合物， FTIR 與MS 譜圖的差異均非特別明顯。本研究結果表明，在采用GC-MS 鑒定未知烷基膦酸酯類化合物時，可通過GC-FTIR 快速獲取相應化合物的FTIR 譜圖，從而根據(jù)FTIR 譜圖提供的特征結構信息，輔助GC-MS 技術實現(xiàn)對MS譜圖相似的同分異構體或結構類似物的快速鑒別。

References

[1] MCDANIEL L N， ROMERO N A， BOYD J， COIMBATORE G， COBB G P. Talanta， 2010， 81（4-5）： 1568-1571.

[2] BOUCHOUAREB K， COMBES A， PICHON V. Anal. Chim. Acta， 2022， 1190： 339261.

[3] HA S， LEE M， SEO H O， SONG S G， KIM K， PARK C H， KIM I H， KIM Y D， SONG C. ACS Sens. ， 2017， 2（8）： 1146-1151.

[4] ZHANG C， GUO K T， WANG J Y， WANG T， WANG X H， NI K. Sens. Actuators， B， 2022， 354： 131249.

[5] ALIGHOLIZADEH D， TEWALA Y， LANGFORD K， HONDROGIANNIS N， CHIKKARADDY R， DEVADAS M S. Vib.Spectrosc. ， 2023， 129： 103616.

[6] SDERSTRM M T， KETOLA R A. Fresenius J. Anal. Chem. ， 1994， 350（3）： 162-167.

[7] SDERSTRM M T， KETOLA R A， KOSTIAINEN O. Fresenius J. Anal. Chem. ， 1995， 352（6）： 550-556.

[8] MCGARVEY D J， STUFF J R， WILLIAMS B R， DURST H D. Spectrosc. Lett. ， 2000， 33（6）： 795-819.

[9] GARG P， PUROHIT A， TAK V K， DUBEY D K. J. Chromatogr. A， 2009， 1216（45）： 7906-7914.

[10] ZHANG Yuan-Zheng， XU Da-Nian， FEI You-Zhu， DUAN Zhi-Hong， BIAN Shu-Qing. Mod. Instrum. Med. Treat. ，1998， （2）： 14-17.

張遠征， 許大年， 費友珠， 段志紅， 邊淑青. 現(xiàn)代儀器與醫(yī)療， 1998， （2）： 14-17.

國家重點研發(fā)計劃項目（No. 2018YFC1602600）資助。