運用量子化學方法解析大黃酚 ESI-ITMSn中質譜行為

崔培王申,張乃峰,王 蒙,方洪壯

(佳木斯大學藥學院,黑龍江 佳木斯 154007)

電噴霧離子阱質譜是近幾年來迅速發展并完善起來的一種軟電離質譜,其離子化條件溫和、譜圖簡單,特別適用于極性大等天然化學成分的分析。電噴霧離子阱質譜具有高靈敏度、高特異性,其一級質譜圖主要產生準分子離子峰,而多級質譜能夠提供該化合物的結構信息[1～7]。化合物質譜裂解過程中大多數是單分子離子的分解反應,可借助量子化學計算解析化合物分子及其碎片離子的結構以及研究和闡明化合物質譜中的裂解機理。目前,關于蒽醌類化合物大黃酚的質譜分析的研究雖有很多[8～10],但從分子水平上對大黃酚分子的質譜特征的量子化學計算的研究尚未見報道。本文對電噴霧離子阱質譜下的大黃酚分子及其碎片離子進行了量子化學計算,研究其質譜碎片結構特點和其質譜中斷裂位點及質譜裂解途徑。實驗結果為大黃酚構效關系及藥物分子合成提供理論依據,并可為解釋其它蒽醌類化合物電噴霧離子阱質譜裂解機理提供參考。

1 實驗部分

1.1 儀器、材料與試劑

安捷倫 G6310質譜儀:美國 Agilent公司產品,配有電噴霧離子源(ESI)和 DataAnalysis數據處理系統;流動注射泵:美國 Agilent公司產品。大黃酚對照品 (批號:110796-200310)購自于中國藥品食品檢定研究院,色譜級甲醇購自于天津市凱通化學試劑有限公司。

1.2 質譜條件

流動注射泵進樣流速5μL˙min-1,毛細管溫度325℃ ,毛細管電壓13V,氮氣為鞘氣和輔助氣,鞘氣流速10mL˙min-1,輔助氣流速0.15mL˙min-1,氦氣為碰撞氣進行碰撞誘導解離分析,掃描范圍 m/z 100～ 400,負離子模式下手動提取離子方式依次改變質譜的碎裂電壓 (0.1～1.5V)進行多級離子全掃描。

1.3 理論模型與計算方法

首先用半經驗量子化學計算 AM1方法獲得所有分子及碎片離子的初始幾何構型,然后依據密度泛函理論,在B3LYP/6-31G(d)水平,對大黃酚的各級質譜碎片離子進行了幾何結構優化及頻率計算,確定了各碎片離子的穩定結構,用 ROB3LYP/6-31G(+)(2d,2p)方法,計算形成各碎片離子所需的能量,確定大黃酚分子的活性斷裂部位,進而推導出大黃酚的質譜裂解途徑。量子化學計算均采用Gaussian 03程序完成。各碎片離子的鍵斷裂能(Bond dissociation energy,BDE)用下式計算得到:

式中,E(RX)為母碎片離子的總能量(Total energy,TE),E(R)為脫去取代基后子離子碎片的能量,E(X)為取代基的能量 [11～15]。

2 結果與討論

2.1 大黃酚質譜數據的初步分析

大黃酚分子結構如圖1所示,其結構位次編號由軟件給定。大黃酚 CIDMS質譜實驗結果如圖 2所示。大黃酚在串聯質譜碎裂過程中 ,經歷了脫 H、脫 O、脫 CO2、縮環丟失中性CO小分子等過程。

2.2 大黃酚準分子離子的分析

2.2.1 能量分析

大黃酚準分子離子可能的初始結構進行幾何結構優化、頻率計算及相應的能量計算,確定了準分子離子的穩定結構。大黃酚準分子離子初始構型可能為失去15位氫、18位氫的2個體系。結果表明,2個體系的自旋污染 S2值均與理想特征值0.7500匹配較好,優化后的最終結果均符合收斂標準(Maximum Force 0.000450;RM S Force 0.000300;Maximum Displacement 0.001800;RMS Displacement 0.001200),頻率計算均未發現虛頻,說明各體系構型穩定正確。能量計算表明,大黃酚分子失去15位氫(-877.9478 hatree)比失去18位氫 (-877.9689hatree)高,18位上失去氫形成準分子離子是熱力學擇優結果。

2.2.2 幾何分析

圖3為大黃酚準分子離子體系的初始立體構型。大黃酚準分子離子的幾何結構進行優化及頻率計算結果表明,整個準分子離子體系 A、B、C三環均為近平面結構,并且各環所連的取代基均在此平面內呈自由伸展狀態存在。

圖3 大黃酚準分子離子的幾何結構

2.3 大黃酚 M S2質譜碎片離子的解析

大黃酚準分子離子質荷比252.9為母離子進行手動二級掃描,獲得碎片離子如圖4所示 ,主要產生 237.9和224.9的碎片離子。

圖4 大黃酚的手動二級質譜圖

2.3.1 237.9的碎片離子解析

根據 CIDM S推測分析,該碎片離子從準分子離子的體系上脫去質量數為15的基團,此基團為-CH3。C環上的甲基呈自由伸展狀態,受空間位阻較小在裂解過程易斷裂。對質荷比252.9的母離子進行幾何構型優化,得出各個原子的幾何參數,從鍵長角度來分析,其準分子離子 C12～C22的鍵長為0.15108nm比大黃酚分子的0.14259nm明顯變長,故易斷裂。

2.3.2 224.9的碎片離子解析

碎片離子224.9是大黃酚準分子離子的主要產物,其豐度可達100% ,與大黃酚質量數相差28,丟失的基團顯然為CO。大黃酚脫去一個氫形成準分子離子過程中,C環的電荷發生離域性變化,優化后結果顯示14位上的酚羥基由 C-O變成 C=O雙鍵。大黃酚準分子離子的7位、10位羰基以及 6位上的酚羥基均具有較強的活性,在此確定碎片離子224.9的構型將十分必要。分別將6、7、10、14位失去 CO之后的體系記作 A6、 A7、 A10、A14,能量計算結果見表 1,10位 失去 CO所需的鍵斷裂能最小 ,故本次裂解發生在10位上。

2.4 質荷比224.9的碎片離子MS3質譜解析

以質荷比224.9作為母離子,改變其碎裂電壓,獲得質荷比為 209.9、196.9、180.9的碎片離子,在此次裂解過程中分別發生脫 CH3、CO、CO2中性小分子的中性丟失。

圖5 碎片離子224.9的三級質譜圖

表1 224.9的碎片離子可能體系的鍵斷裂能

(1)碎片離子209.9。本次裂解丟失質量數為15的碎片離子,而碎片離子 224.9的結構中僅存在一個甲基,本次裂解就發生此位點上。(2)碎片離子196.9。該碎片離子的形成主要是脫去 CO中性小分子,可能發生脫去反應的位置在6、7、14號位 ,對可能形成的3個體系進行能量計算,經計算6號位失去 CO的鍵斷裂能為0.0651 hatree,7號位失去 CO的鍵斷裂能為0.1416 hatree,14號位失去 CO的鍵斷裂能為0.0376 hatree,14號位發生反應所需能量較少所以容易在此位點上反應。(3)碎片離子180.9。本次裂解丟失質量數為44,顯然是CO2,但是從碎片離子224.9的結構上分析 ,未發現有羧基之類的基團存在,推測此次裂解應該是分步進行的,根據母離子的結構分析,主要存在兩種裂解方式:① 先 CO后 O(196.9→ 180.9);② 先 O后 CO(208.9→ 180.9)。采取方式①時應在 196.9的碎片離子中存在質荷比 180.9的碎片離子,但對其進行掃描未發現,故排除此方式。碎片離子224.9在離子阱內先形成不穩定碎片離子208.9,受高電壓的影響瞬間裂解丟失 CO小分子,以方式②裂解將成為可能。運用量子化學計算各原子的自旋密度,發現 O18(0.301464)的自旋密度為所有氧原子中最大,將在反應中易失去。同時對所形成的結構進行能量計算,發現6號位失去 CO為熱力學擇優結果,可見方式②的推測是正確的。

2.5 大黃酚的 M S4質譜解析

大黃酚的三級質譜主要產生質荷比209.9、196.9、180.9的碎片離子,分別將其作為母離子進行四級裂解,所得結果見圖2。(1)質荷比209.9的后續離子。209.9的碎片離子主要有兩種裂解方式產生:① 253.0→237.9→ 209.9;② 253.0→224.9→ 209.9。分別以質荷比209.9作為母離子按兩種方式進行不同碰撞電壓下的四級質譜掃描,經實驗結果表明,在此次裂解中僅產生質荷比181.9的碎片離子,并且兩種方式出現此碎片離子的碰撞電壓是相同的,可以判定兩種方式下碎片離子209.9的結構是相同的。由質荷比209.9裂解到質荷比 181.9失去質量數為28的基團,通過 CIDMS分析表明,此次裂解為 CO中性小分子的丟失。能量結果表明,失去6號位的酚羥基所用能量為0.1415hatree;失去7號位的羰基的鍵斷裂能為0.2265hatree;失去14號位的羰基的鍵斷裂能為0.4383 hatree,經比較失去6號位的酚羥基為此次裂解的反應位點。(2)質荷比196.9的后續離子。以196.9為母離子進行不同碎裂電壓的掃描,主要發現質荷比 168.9和181.7的碎片離子,分別失去質量數為28和15的基團,根據碎片離子 196.9的分子構型分析,失去質量數為28的基團很可能是在6號位和7號位上發生脫羰基縮環反應,運用量子化學方法在UB3LYP/6-31G(d)水平上計算電荷變化以及自旋密度,結果發現,部分電荷的變化如下:C7(0.346→ 0.336)、O23(-0.457→ -0.456)、 C6(0.409→ 0.250)、O15(-0.568→-0.648),從數據可以看出 C7、O23變化不大,C6、O15的電荷變化較大可以初步判斷此次裂解發生在 C6和 O15的基團上。從自旋密度分析,碎片離子 196.9中 C7(-0.02494)、O23(0.08146)均比 C6(-0.073013)、O15(0.266026)的自旋密度小,進一步說明了 C6和 O15是本次反應的活性中心。質荷比181.7的碎片離子很明顯是由196.9失去 22號位上的甲基形成的。(3)180.9的后續離子。結合碎片離子180.9的離子構型可知,質量數由180.9到153.1變化了約28,此次反應是在 7號位失去 CO形成的。

3 結論

本文運用量子化學方法來解析大黃酚分子在離子阱電噴霧質譜中的裂解規律,依據密度泛函理論,采用 B3LYP/6-31G(d)方法計算質譜碎片離子的幾何參數、電荷變化、自旋密度以及 ROB3LYP/6-31G(+)(2d,2p)水平下鍵斷裂能的計算,經綜合分析,獲得的大黃酚的主要碎片離子 m/z:252.9、 237.9、 224.9、209.9、 196.9、 181.9、 180.9、 168.9、153.1的穩定結構以及裂解方式與 CIDMS所推斷的裂解規律相吻合,成功地解釋了大黃酚分子在 ESI-ITMS中裂解現象。

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