實時直接分析高分辨質譜技術研究碳硼烷類化合物

王昊陽,東國卿

(中國科學院上海有機化學研究所 上海 200032)

鄰-碳硼烷(closo-1,2-Dicarbadodecaborane或1，2-C2B10H12)是第一個被發現和準確表征的碳硼烷[4]，一直是碳硼烷家族中研究和應用最廣泛的一員，也具有較高的商業價值。根據對碳硼烷結構的深入研究，學者們認為其是一種三維的無機苯類似物，26個電子占據了 13個成鍵軌道,具有“超級芳香性”[5]。碳硼烷具有獨特幾何球面和疏水性分子表面，顯著的熱力學穩定性和化學穩定性，被廣泛應用于眾多領域：作為多功能配體應用于配位/金屬有機化學以及用于超分子設計/納米材料[6]；因獨特的激發態行為被用于光電化學研究[7]；在醫藥方面可利用碳硼烷中高的B含量進行硼中子俘獲治療(Boron neutron capture therapy，BNCT)[8]。此外二十面體碳硼烷籠的平均空間體積略大于一個旋轉的苯，原則上，通過將生物活性分子中的芳環替換成碳硼烷基團，可以設計出含疏水碳硼烷藥效基團的分子[9]。

與常規的有機化合物質譜分析不同，碳硼烷質譜分析的難點在于其復雜的同位素峰分布，如何解讀這些同位素峰，并根據同位素質譜峰的輪廓和其中典型的質譜峰進行準確的質譜定性研究需要深入探討。作為重要的表征手段，質譜信息對于確認碳硼烷及其衍生物的結構、分子量和元素組成具有重要的意義和價值。由于電子電離(Electron ionization，EI)過程能量較高(運用70 eV的電子)，使得有時碳硼烷及其衍生物的主要信號為碎片離子或產生脫H2的離子物種，這給精確判斷結構帶來一定不便。電噴霧離子化(Electrospray ionization，ESI)對離子型碳硼烷及其衍生物有較好的響應，但是對一些極性較低的碳硼烷化合物，往往難以得到與結構對應的離子物種。

近年來筆者團隊一直從事碳硼烷及其衍生物的質譜科研工作，經過前期研究和方法對比，發現以實時直接分析(Direct analysis in real time，DART)高分辨質譜技術[10-13]為代表的新型原位離子化技術[14-15]是研究碳硼烷類化合物的優選方法。DART離子化技術于2005年被報道[16-17]，具有分析通量高和響應迅速的特點，能迅速實現目標化合物的分析和檢測，可大大簡化樣品制備步驟，尤其是與具有超高分辨率的傅里葉變換離子回旋共振質譜儀(Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry，FTICR MS)聯用后，能實現同位素峰分布復雜的目標化合物的快速高精度質譜表征和分析[13]。本研究將運用DART-FTICR MS質譜技術，研究碳硼烷及其衍生物在DART離子化條件下所產生的離子物種，通過得到的高精度質量信息，進一步推測復雜同位素峰所對應的元素組成和可能的歸屬。FTICR MS有能力對質荷比非常接近的同位素峰信號進行區分，實現準確的離子定性，并通過進一步結合同位素峰的輪廓關系確認質譜峰的歸屬。本文旨在幫助理解碳硼烷及其衍生物復雜的同位素峰信息，不僅對質譜學表征碳硼烷及其衍生物有一定意義，對質譜學表征同位素峰信息復雜的有機化合物和復合物也有一定參考價值。

1 實驗部分

1.1 儀器與實驗參數

FTICR MS的質譜儀器參數：脫溶劑毛細管電壓(Capillary voltage)：9 V；離子源透鏡電壓(Tube lens voltage)：100 V；毛細管溫度：270 ℃。Multipole 00補償電壓(Offset voltage)：-4 V；multipole 0補償電壓：-4.5 V；multipole 1補償電壓：-8.5 V;lens 0 電壓：-4.2 V；lens 1 電壓：-14.9 V;gate lens電壓：-35.8 V；front lens 電壓：-5.2 V。質譜掃描范圍為m/z50～800。數據采集和數據分析通過Xcalibur軟件進行。

DART離子源參數:DART 離子源(IonSense,Saugus,MA,USA)與線性離子阱-傅里葉變換回旋共振質譜(LTQ-FTICR MS,Thermo Fisher Scientific,Bermen,Germany)連接使用，以獲得數據和譜圖的采集。DART離子源的設定參數如下：氮氣和氦氣輸出氣壓：0.5 MPa;DART氣體溫度:350 ℃。高純氦被用作為電離氣體。隔膜泵(WELCH,Ilmvac)用來保持連接DART離子源和FTICR-MS質譜API接口之間區域的真空。DART離子源的位置及離子源出口與通入到質譜接口的陶瓷管在同一條直線上。DART離子源出口與陶瓷管的距離控制在約12 mm。

1.2 試劑與樣品制備

本研究所用到的碳硼烷樣品由謝作偉院士課題組提供，在此特別表示感謝。樣品加入二氯甲烷溶解后，用Glass(Dip-It)tip玻璃樣品棒蘸取溶液進樣測定。

2 結果與討論

2.1 DART高分辨質譜中碳硼烷化合物同位素峰的研究與歸屬

圖1 文中研究的碳硼烷化合物的結構Fig.1 Structures of carboranes studied herein

分析圖2可知，與常規有機化合物不同，碳硼烷化合物一般會形成類似正態分布的同位素峰簇。以[1+H]+為例，由于含B元素數量較多，最輕同位素組成所對應的同位素峰往往因為豐度過低而無法被檢測到。為了能更好地解析碳硼烷化合物的同位素峰簇，將化合物1在DART正離子與負離子模式下的質譜測定結果與理論模擬結果進行對比，見表1與表2。表1和表2僅對碳硼烷類化合物對應的8個相對豐度較高的同位素峰的m/z進行了總結和分析，*代表同位素峰簇中相對豐度最高的同位素峰。從圖2和表1與表2可以看出，化合物1主要同位素質譜峰精確質荷比的測定值與理論模擬值誤差較小，而且主要的同位素質譜峰的相對豐度與理論模擬值也能較好吻合。

表1 化合物1在DART正離子模式下主要質譜同位素峰數據分析Table 1 Analyses of major isotopic mass peaks of compound 1 in DART positive ion mode

表2 化合物1在DART負離子模式下主要質譜同位素峰數據分析

2.2 碳硼烷化合物在DART離子化條件下的質譜行為小結及分析

質譜學研究表明：并非所有的碳硼烷化合物在正離子和負離子條件下都可以得到相對應的質譜信號。在DART正離子條件下，本文選擇的10個碳硼烷化合物，只有1～5得到了質譜信號；但10個化合物在DART負離子條件下均得到了較好的質譜信號，可以產生[M-H]-或[M+Cl]-離子。如果碳硼烷化合物本身不含Cl，則其在DART負離子條件下形成的[M+Cl]-信號較容易識別和判斷。以化合物10為例，在DART負離子條件下可以很快判斷出相對豐度最高的同位素峰291.288 7m/z(對應元素組成為C10H2810B211B835Cl-，相對豐度100%)。在分辨率大于1.4×105的情況下，進一步將293m/z的信號放大后可以看到兩個質荷比非常接近的同位素峰293.281 4m/z和293.285 8(如圖3C所示)，其對應的元素組成分別為C10H2811B1035Cl-(相對豐度35.14%)、C10H2810B211B837Cl-(相對豐度33.06%)，可實現較好的分離，含37Cl的同位素峰是判斷離子中Cl元素存在的重要依據。在正離子條件下，含有芳基取代的碳硼烷化合物1～5較容易被檢測，得到[M+H]+或[M+NH4]+信號。本文所研究的碳硼烷都含10個B原子，同位素峰簇中相對豐度最高的同位素峰對應的元素組成中一般含2個10B以及8個11B。FTICR MS精確質量的測定結果支持了該結論。表3和表4總結了DART-FTICR MS質譜測定中本文碳硼烷類化合物同位素峰簇中基峰的質荷比與相應元素組成和理論模擬的數據。

表3 碳硼烷化合物1～5在DART正離子模式下的測定數據Table 3 DART-FTICR MS analysis results of carboranes 1～5 in positive ion mode

(續表3)

表4 碳硼烷化合物1～10在DART負離子模式下的測定數據Table 4 DART-FTICR MS analysis results of carboranes 1～10 in negative ion mode

目前已有運用基質輔助激光離子化(MALDI)[18]和ESI質譜[19]技術研究碳硼烷化合物以及相關離子多級質譜行為的報道，但尚無文獻明確和系統研究碳硼烷化合物的復雜同位素峰該如何分析和歸屬。本文運用高分辨質譜技術對DART條件下碳硼烷化合物的質譜行為進行了研究，結果表明：①碳硼烷化合物在DART負離子條件下一般都能得到較好的質譜信號，可以形成[M-H]-或[M+Cl]-；②一般情況下，無論是DART正離子還是DART負離子模式，含10個B的碳硼烷化合物形成的離子同位素峰簇信號中，相對豐度最高的同位素峰包括2個10B以及8個11B；③ 對碳硼烷化合物質譜信號的確認不僅要看主要同位素峰的精確m/z，主要同位素峰的相對豐度也是重要的定性分析依據。將高分辨質譜分析所獲得的m/z數據信息與圖譜中的同位素峰輪廓分析[20]相結合，是碳硼烷化合物有效的質譜定性分析策略。

2.3 碳硼烷類化合物DART離子化的可能機理探討

EI-MS技術是碳硼烷類化合物常用的質譜分析手段，文獻中鄰-碳硼烷(1，2-C2B10H12)的電離能(Ionization energy，IE)為10.1 eV[20-21]。EI質譜技術采用70 eV電子，因此能夠實現大多數碳硼烷及其衍生物的電離，但在實際分析中由于揮發性、熱穩定性和解吸性能的限制，有些碳硼烷化合物可能無法實現有效的EI質譜分析。此外含有取代基的碳硼烷化合物在EI中容易發生裂解或產生脫H2的離子物種，比如在NIST譜庫中鄰-碳硼烷EI圖譜中豐度最高的離子是142m/z而不是144m/z[22]。ESI質譜技術對離子型碳硼烷及其衍生物有較好的響應，但是對于一些極性較低的碳硼烷化合物難以得到較好的分析結果。

盡管鄰-碳硼烷的IE低于DART離子化中He亞穩態的能量(19.8 eV)[23]，但在DART正離子條件下，并未發現本文所研究的碳硼烷化合物由潘寧電離所生成的碳硼烷化合物自由基正離子，僅是一些含有芳基取代的碳硼烷化合物得到[M+H]+或[M+NH4]+信號，更為普遍的是碳硼烷化合物在DART負離子條件下都能得到較好的質譜信號，形成[M-H]-或[M+Cl]-?？赡艿脑蚴牵孩偬寂鹜榛\上極化的C—H鍵是偏弱酸性的C—H質子[24-25]，因此丟失碳硼烷籠上極化的C—H鍵的質子或者是取代基上的活潑質子，是碳硼烷化合物在DART負離子條件下形成[M-H]-的可能原因；②籠結構的“缺電性”使得中性的碳硼烷類化合物容易與負離子結合，因此容易生成[M+Cl]-。本研究中所用的溶劑是二氯甲烷，可能對形成[M+Cl]-有促進作用，此外在溶劑中加入微量的NH4Cl也能較好地促進加合離子的生成。

具有特殊的芳香性、獨特電子構型和剛性分子結構的碳硼烷類化合物，在生物、藥學、光學、材料等多個領域有越來越多的廣泛應用。本文發展了適合碳硼烷類化合物的DART高分辨質譜分析方法和相應的數據分析手段，對碳硼烷類化合物的結構表征有關鍵價值，同時對同位素信息比較復雜的有機化合物與復合物的結構表征和高分辨質譜分析也有一定的借鑒意義。

3 結 論

本文運用傅里葉變換離子回旋共振高分辨質譜技術對碳硼烷化合物在DART條件下所產生的離子進行了研究和歸屬，通過與理論值同位素峰的精確m/z和相對豐度進行模擬，確認了碳硼烷化合物在DART條件下所產生的離子的類型與組成。研究結果表明，運用DART-FTICR MS這一高分辨率和高通量的質譜技術開展碳硼烷化合物的質譜研究和測試，不僅可以快速得到高分辨質譜分析結果，碳硼烷特征的同位素峰也可以作為快速在質譜圖中定位含多硼質譜信號的有效手段。碳硼烷類化合物DART離子化可能機理的探討，也支持將負離子模式的DART高分辨質譜技術作為研究碳硼烷類化合物的優選質譜方法。