乙二胺鈷氧合反應的電噴霧串聯質譜研究

李俊芳 符繼紅 付 佩 張旭龍 朱 然 王吉德

(新疆大學化學化工學院，烏魯木齊 830046)

乙二胺鈷氧合反應的電噴霧串聯質譜研究

李俊芳 符繼紅 付 佩 張旭龍 朱 然 王吉德＊

(新疆大學化學化工學院，烏魯木齊 830046)

采用電噴霧多級串聯質譜技術對氧載體模型化合物乙二胺鈷氧合產物的的質譜裂解規律進行了探討。以固相法合成的乙二胺鈷吸氧初和吸氧6 d兩個階段為研究體系，在正離子電噴霧質譜條件下能夠清楚地觀測到乙二胺鈷氧合配合物的特征碎片離子。對其中m/z 150.86的碎片峰進行子離子掃描，可得到失去中性氧分子(M=32)的子離子碎片峰(m/z 118.85)，從而可進一步確認其為氧合配合物碎片峰。本文采用電噴霧多級串聯質譜技術對吸氧初和吸氧飽和后的兩個體系進行了合理的初步探討，根據所得質譜數據對乙二胺鈷氧合產物的結構、裂解規律及氧氣的存在形態給出初步合理的推論，結果表明，吸氧過程是一個老化的過程，乙二胺鈷配合物從吸氧初到吸氧飽和后，其形態經歷了從雙核過氧橋聯配合物到雙核過氧羥基雙橋聯配合物形態的轉變。初步確立電噴霧質譜(ESI-MS)可做為研究氧合反應和表征氧合配合物的有效技術手段。

乙二胺鈷；電噴霧串聯質譜；氧合反應；氧載體；固相反應

氧載體是一類能夠可逆吸收分子氧的特殊金屬配合物。自從人們發現生物體內氧氣的運輸就是血紅蛋白與氧氣可逆的吸氧放氧過程后，氧載體的研究引起了廣泛的關注[1-4]。但天然氧載體分子量大、結構復雜，直接研究其載氧機制困難較多，因此，常用小分子做為模型化合物用于氧載體的研究。乙二胺鈷配合物的分子量小，結構簡單，且吸氧反應明顯，是一類很好的氧載體模型化合物[5]。對乙二胺鈷氧合反應的研究對探明氧分子的可逆鍵合、活化和氧化機制具有重要意義。現已報道的氧載體模型化合物大多是在液相或者從液相制備后提取出固相產物進行研究，而用固相化學法制備氧載體模型化合物尚不多見。本實驗室首次采用室溫固相法合成了乙二胺鈷氧合配合物[6]。雖然乙二胺鈷吸氧后氧氣的存在形態有多種觀點，但因缺少直接測定方法而未被完全確定。目前確定氧合配合物的研究多采用分光光度法[7-8]、pH電位法[9-10]、氧電極法[11]、量氣法[12]、伏安法[13]、電子自旋共振和紅外光譜法[14]等測試手段。

電噴霧質譜(ESI-MS)技術是鑒定有機化合物結構的重要工具之一，可以提供豐富的碎片信息和分子量信息，從而可以推測和驗證已知和未知化合物的結構，具有分析速度快和靈敏度高等優點。其串聯質譜技術(ESI-MS/MS)近年來在各個分析領域得到了廣泛的應用。目前，串聯質譜技術在金屬配合物的結構分析中的應用已趨成熟[15-18]，但質譜法對氧合配合物的表征應用還是鮮見于文獻報道。本文采用三重四級桿液相色譜質譜/質譜聯用技術，對固相法合成的乙二胺鈷配合物吸氧初和充分吸氧后兩個階段的氧合形態進行了質譜研究，結果得到了高豐度的含分子氧的碎片峰。并從含分子氧(豐度大于50%)的碎片峰中得到了脫分子氧(M=32)的次級碎片峰。根據所得質譜數據對乙二胺鈷氧合產物的結構、裂解行為及氧氣的存在形態給出合理的推論，并初步確立了電噴霧質譜(ESI-MS)可做為研究氧合反應和表征氧合配合物的有效技術手段。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

美國Waters公司ACQUITY UPLC system(Waters，Milford，MA，USA) 三重四級桿液相色譜質譜/質譜聯用儀；德國MBraun公司MBraun UNIlab惰性氣體手套箱；瑪瑙研缽；ELGA公司ULTRA ANMK2超純水儀；乙二胺 (L)及醋酸鈷Co(Ⅱ)(CH3COO)2·4H2O均為分析純； 實驗用水為 18.2 MΩ·cm超純水。

1.2 質譜條件

取適量樣品溶于超純水中，在正離子模式下進行檢測。毛細管電壓3.5 kV；離子源溫度120℃；脫溶劑氣溫度450℃；脫溶劑氣流量400 L·h-1；錐孔氣流量 50 L·h-1；錐孔電壓 60 V；流動相 VCH3CN∶VH2O=1∶1；流速 0.2 mL·min-1。 樣品溶解于高純水中配制成 400 ng·μL-1的水溶液。掃描范圍 50～900 amu。脫溶劑氣、霧化氣和錐孔氣為氮氣，碰撞氣為氬氣。

1.3 樣品制備

固相合成法制備乙二胺鈷配合物。為避免乙二胺鈷的配合物在空氣中迅速結合氧氣生成氧合配合物，配合物在UNILab手套箱(氬氣氣氛)中合成。將0.9 g的乙二胺和1.25 g的醋酸鈷放置于瑪瑙研缽中充分研磨，直至配合物顏色由粉紅色變為顏色不再改變的棕紅色為止。反應結束后將合成的樣品分為兩份，一份迅速從手套箱中取出，配成400 ng·μL-1的水溶液，立即進行質譜檢測。另一份充分吸氧6 d后進行質譜測試。

2 結果與討論

乙二胺鈷配合物的合成在氬氣保護下的手套箱中進行，對樣品進行稀釋及過濾的過程使其在空氣中暴露10 min左右,在這個過程中樣品的顏色一直迅速加深，可知吸氧反應已經開始進行。為考查乙二胺鈷氧合配合物的吸氧變化過程，選取了吸氧初(10 min)、吸氧 2 h、4 h、6 h、6 d、16 d 和 30 d 等 7個吸氧時間點的氧合配合物作為研究對象，對其進行了LC-MS/MS全掃描分析。結果發現不同吸氧時間點的氧合配合物的全掃描質譜圖表現出一定的變化規律。吸氧初的乙二胺鈷氧合配合物的質譜圖與其余吸氧時間點的質譜圖相比，碎片離子峰差異較大，高豐度的碎片峰表現出較強的特有性。從吸氧2 h、4 h、6 h和6 d的乙二胺鈷氧合配合物的質譜圖的特征峰和離子峰相對強度的變化推測從吸氧2 h到吸氧6 d是一個氧合形態逐漸減少，氧化形態逐漸增加的老化過程。但吸氧6 d后的氧合配合物的特征峰質譜圖與16 d和30 d相比不再發生變化，與本實驗室所測乙二胺鈷氧合反應性能的實驗數據相吻合[19]，乙二胺鈷配合物充分吸氧6 d后吸氧量不再發生變化達到吸氧飽和。因此，選取了乙二胺鈷吸氧初和充分吸氧6 d兩個階段作為研究體系。對樣品的溶解體系進行了考察，乙二胺鈷配合物易溶于極性較強的溶劑。甲醇、乙醇和水溶液極性都較強對乙二胺鈷配合物具有較好的溶解性，并且適用于液相色譜質譜的檢測。但甲醇溶劑的分子量為32與實驗考查的氧分子分子量相同，會對實驗數據的分析產生干擾。最終選擇乙醇溶劑和水溶液分別將乙二胺鈷配合物溶解后在相同的質譜條件下進行檢測。結果發現乙醇溶液和水溶液樣品全掃描質譜圖的碎片特征峰沒有差異，但水溶液樣品特征峰強度明顯高于乙醇溶解的樣品，所以選擇高純水作為溶解固體乙二胺鈷的溶液。對乙二胺鈷配合物在正、負離子模式下的質譜裂解行為進行了考察，結果表明，配合物在正離子模式下的峰強度比負離子模式下高將近一個數量級，因此，正離子模式更適合乙二胺合鈷氧載體的質譜研究，具有更高的靈敏度。

2.1 乙二胺鈷氧載體吸氧初的質譜裂解

乙二胺鈷配合物從手套箱中取出與空氣接觸后吸氧反應開始進行。將樣品溶解后立即進行質譜檢測。圖1為此乙二胺鈷配合物的全掃描質譜圖。從圖中可知，乙二胺鈷配合物的質譜圖比較復雜，除基峰(m/z 177.89)外，在較寬的質量范圍內均分布有豐度不一的質譜峰。對其中豐度較高的m/z 133.89，150.86，177.89，312.90 和 387.78 等 離 子 進行了正離子模式下的子離子掃描，推測了其裂解規律 (表1，相應結構見圖3)，發現在正離子模式下離子容易失去乙二胺 (L)和乙酸 (HAc)等中性分子，相應的質譜峰分別歸屬為[(L-H)CoⅡ(NH2)]+(m/z 133.89)， [LCoⅢ(O22-)]+(m/z 150.86)， [LCoⅡ(Ac)]+(m/z 177.89)，[L2CoⅢ(Ac)2(NH2)]+(m/z 312.90)和[(L3-H)CoⅢCoⅡ(O22-)]+(m/z 387.78)。豐度相對較高的 m/z 150.86的離子引起關注，按結構推測其應為配位一氧氣分子的離子，為驗證配位的氧分子，對其進行了子離子掃描(子離子掃描圖及裂解規律見圖2)。對其碎片峰進行解析發現了丟失中性分子O2后的碎片m/z 118.85及其它相關碎片。通過對可丟失中性氧分子(M=32)的氧合配合物碎片峰的發現，佐證了氧合配合物中氧氣分子的存在。含有分子氧的碎片離子m/z 150.86在吸氧初期的質譜圖中豐度較高 (＞50%)，與此氧合配合物在吸氧初具有吸氧放氧性能的實驗數據一致。經對全掃描和子離子掃描的電噴霧質譜分析，推測乙二胺鈷在吸氧反應的初期階段主要生成了產物1，其對應結構為[L5CoⅢ2(O22-)](Ac)4(M=686.25)，與文獻報道的結構相符[20]。此氧合配合物為氧載體的有效形式，具有吸氧放氧性能，分子氧O2的存在形式為過氧型，其結構及裂解規律見圖3。實驗結果表明，吸氧后的乙二胺鈷配合物的金屬中心Co向氧分子轉移電子，使氧分子活化形成過氧形態，同時Co(Ⅱ)被氧化成Co(Ⅲ)，生成雙核過氧橋聯配合物。

表1 正離子模式下配合物ESI-MS/MS數據Table 1 Positive ion ESI-MS/MS data for the complexes

2.2 乙二胺合鈷氧載體吸氧6 d的質譜裂解

固相法合成的乙二胺鈷充分吸氧6 d后達到吸氧飽和。圖4為乙二胺鈷吸氧飽和后的全掃描質譜圖。對其中豐度較高的m/z 296.88碎片離子進行了正離子模式下的子離子掃描，推測了其裂解規律(表1，相應結構見圖5)，判斷其對應離子形式為二配位的[L2CoⅢ(Ac)2]+。通過對全掃描和子離子掃描的電噴霧質譜分析，推測乙二胺鈷在吸氧飽和后主要生成了雙核過氧羥基雙橋聯配合物(產物2)，其對應結構為[L4CoⅢ2(OH)(O22-)](Ac)3(M=584.17)，配合物的結構形態與文獻報道一致[21]。碎片離子m/z 150.73在吸氧飽和產物的質譜圖中豐度較低(＜10%)，也完全符合吸氧飽和后的氧載體發生部分老化不再具有放氧性能的實驗事實。此氧合配合物為氧載體的老化形式，不再具有吸氧放氧性能。推測乙二胺鈷吸氧飽和后繼續發生老化過程，分子氧在配合物中的存在形式部分仍為過氧型，部分發生老化生成羥基，使其完全失去了吸氧脫氧的性能而失活，其結構及裂解規律見圖5。在全掃描質譜圖中，m/z 606.71對應于該化合物的準分子離子峰[M+Na]+。通過對乙二胺鈷質譜裂解規律的合理推論，發現乙二胺鈷氧載體的吸氧過程經歷了從雙核過氧橋聯配合物到雙核過氧羥基雙橋聯配合物形態的轉變。

固相法合成的乙二胺鈷氧載體在吸氧初期和吸氧飽和后的產物質譜圖相差很大，很容易看出不同吸氧時間帶來的差異。對于吸氧初期的乙二胺鈷氧載體在全掃描質譜圖中可以得到明顯的結構特征峰m/z115.90,133.89,150.86,177.89,312.90,387.78,447.83和564.74，對推測乙二胺鈷吸氧初期時的形態[L5CoⅢ2(O22-)](Ac)4提供了依據。吸氧飽和后的老化產物特征碎片峰m/z58.97，177.70，236.82，296.88，412.73，546.55和606.71與吸氧初期的特征峰相比具有明顯差別，根據質譜數據推測生成了相應的老化產物[L4CoⅢ2(OH)(O22-)](Ac)3。因此可以判斷吸氧過程是個老化的過程，通過質譜解析推測乙二胺鈷氧載體的吸氧過程經歷了從雙核過氧橋聯配合物到雙核過氧羥基雙橋聯配合物形態的轉變，同時其吸氧性能發生了從具有吸氧放氧能力到吸氧后期分子氧發生老化失去吸氧能力的過程。

3 結 論

本文首次采用串聯質譜技術對固相法合成的乙二胺鈷氧合配合物進行了解析，根據串聯質譜中獲得的特征碎片離子推測了其結構，并對其吸氧初和吸氧飽和后的兩個體系進行了合理的初步推論，為深入研究氧載體配合物提供了實驗依據。在此基礎上初步確立了電噴霧質譜(ESI-MS)技術是一種研究氧合反應和表征氧合配合物的有效手段。

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Oxygenation Reaction of Ethylenediamine Cobalt Complex by Electrospray Tandem Mass Spectrometry

LI Jun-Fang FU Ji-Hong FU PeiZHANG Xu-Long ZHU Ran WANG Ji-De＊
(College of Chemistry and Chemical Engineering,Xinjiang University,Urumqi 830046,China)

The ethylenediamine-cobalt complex，a known model compound of oxygen carriers,was investigated by electrospray ionization tandem mass spectrometry in this paper.The ethylenediamine-cobalt complex was synthesized by solid state reaction.Two sample systems of the complex,separately exposuring dioxygen for 10 minutes and continuously adsorbing oxygen for 6 days,were selected as investigated objects.Under the electrospray positive ion detection mode,the oxygenated ethylenediamine-cobalt complex dissociated readily to various characteristic fragment ions of the oxygenated complexes.One of the fragment ions (m/z 150.86)of the oxygenated complexes were confirmed by its daughter fragmen ion(m/z 118.85)which just lost a neutral fragment of dioxygen (M=32)by further scan fragmentizing.The experimental results indicated that the uptaking of dioxygen is an ageing process,and the structure of the oxygenated complex was changed from dinuclear peroxobridged complex to dinuclear peroxo-hydroxo dibridge complex in the evolution of oxygenation.Based on these results,the possible structures,corresponding fragmentation mechanism and the form of dioxygen existed in the oxygenated complex were proposed.ESI-MS method was confirmed to be an effective technique for characterizing oxygenated complexes and researching the oxygenation.

ethylenediamine cobalt;ESI-MS/MS;oxygenation;oxygen carriers;solid state reaction

O614.81+2

A

1001-4861(2011)11-2225-06

2011-05-25。收修改稿日期：2011-07-07。

國家自然科學基金(No.20961010，20762009)；教育部高校博士學位點專項科研基金(No.20096501110001)資助項目。

＊通訊聯系人。 E-mail：awangjd@xju.edu.cn