宋小平，羅由萍，陳光英，牛燕燕

(海南師范大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，海南?？?571158)

密度泛函理論(Density Functional Theory，DFT)是一種研究多電子體系電子結(jié)構(gòu)的量子力學(xué)方法，從有機(jī)物離子中電子分布和轉(zhuǎn)移規(guī)律、能量角度出發(fā)，計(jì)算分析化合物的結(jié)構(gòu)及性質(zhì)，解析化合物在質(zhì)譜中的裂解機(jī)理和裂解規(guī)律，為預(yù)測(cè)未知化合物的結(jié)構(gòu)和裂解方式提供理論基礎(chǔ)?，F(xiàn)在已有越來越多的質(zhì)譜學(xué)家應(yīng)用該方法優(yōu)化離子結(jié)構(gòu)，并預(yù)測(cè)可能的質(zhì)譜裂解機(jī)理[1 - 3]。

橘霉素是真菌的次級(jí)代謝產(chǎn)物，在變質(zhì)的水果、受潮的糧食中都可能存在，對(duì)人畜和植物有毒害作用。有研究[4,5]表明，橘霉素具有神經(jīng)毒性，會(huì)導(dǎo)致腎臟腫大，腎小管擴(kuò)張以及上皮細(xì)胞壞死，不僅損害肝的代謝功能，還可能致畸、致腫瘤。質(zhì)譜作為分析和鑒定未知化合物、量化已知化合物和解析化合物結(jié)構(gòu)及分子性質(zhì)，已成為分析化學(xué)學(xué)科中不可或缺的工具之一，同時(shí)多級(jí)質(zhì)譜中某一個(gè)或幾個(gè)特定的碎片離子也可以作為指紋圖譜識(shí)別混合物中單一化合物，是一種準(zhǔn)確、快速、可靠的分析方法[6 - 8]。目前，對(duì)橘霉素及其衍生物的電噴霧質(zhì)譜研究鮮有報(bào)道。本文主要研究三種橘霉素類衍生物Penicitrinone A、Penicitrinone D和乙酸2,3,4,7,8,9-六甲基-10-氧-3,7,8,10-四氫-2H-1,6,12-三噁-苯并[fg]環(huán)戊二烯并[a]蒽-5-基酯(圖1，分別標(biāo)記為a、b、c)，利用電噴霧離子阱質(zhì)譜(Electrospray Ionization Ion Trap Mass Spectrometry，ESI-IT-MS)研究碎片離子的結(jié)構(gòu)，總結(jié)質(zhì)譜裂解的規(guī)律，并通過密度泛函理論計(jì)算，驗(yàn)證裂解過程的解析，以期為此類化合物的結(jié)構(gòu)鑒定和快速分析提供可靠的質(zhì)譜資料和依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器與條件

Bruker HCT電噴霧離子阱質(zhì)譜儀(德國(guó)，布魯克公司)，ESI電噴霧離子源，美國(guó)KD scientific注射泵，esquire Control質(zhì)譜工作站等。采用正離子模式，掃描速度26 000m/z/s；樣品通過蠕動(dòng)泵以4 μL/min的速率送入離子源；噴霧電壓3 500 V，干燥氣N2溫度300 ℃，流速8 L/min，霧化氣N2壓力6.89×104Pa；引入少量He(約5.0×10-4Pa)作為多級(jí)質(zhì)譜的碰撞氣，同時(shí)亦可以提高離子的誘捕效率；多級(jí)質(zhì)譜碰撞能量為0.8 V。Bruker AVANCE II 400M核磁共振儀(瑞士，布魯克公司)。

1.2 主要材料與試劑

海蓮(Bruguierasexangulavar.rhynchopetala)采自海南東寨港自然保護(hù)區(qū)。從其葉中分離得到一株青霉菌(Penicilliumsp.)，經(jīng)大米固體培養(yǎng)基發(fā)酵，代謝產(chǎn)物經(jīng)乙酸乙酯萃取，濃縮得浸膏。以乙酸乙酯/石油醚，甲醇/氯仿梯度洗脫，硅膠填充色譜柱等分離得到化合物a、b和c[9]，利用1H NMR與13C NMR確認(rèn)化學(xué)結(jié)構(gòu)，經(jīng)高效液相色譜檢測(cè)其純度均大于98%。分別取化合物a、b和c 0.01 mg靜置于氘代溶劑CD3OD中24 h，經(jīng)H/D交換得反應(yīng)產(chǎn)物a(D)、b(D)和c(D)。

甲醇(色譜純，美國(guó)Sigma-aldrich公司)。液氮、氦氣(99.999%，海南金厚特種氣體有限公司)。其余試劑均為分析純。實(shí)驗(yàn)用水為二次蒸餾水，經(jīng)0.45 μm濾膜過濾。

1.3 裂解能計(jì)算

采用B3LYP6-31G基組，對(duì)化合物分子及碎片離子的初始幾何構(gòu)型進(jìn)行全自由度優(yōu)化，并對(duì)收斂后的構(gòu)型振動(dòng)頻率進(jìn)行檢測(cè)，確認(rèn)無(wú)虛頻后，獲得穩(wěn)定、精確的幾何構(gòu)型?；瘜W(xué)鍵斷裂能(BDE)由式(1)計(jì)算得到[10,11]：

BDE=E(R)+E(X)-E(RX)

(1)

其中，E(X)為丟失碎片的總能量，E(RX)為母離子碎片總能量，E(R)為丟失碎片后子離子總能量。

2 結(jié)果與討論

2.1 橘霉素衍生物的碎裂機(jī)理及裂解能計(jì)算

化合物b和c結(jié)構(gòu)中的-COOH和CH3COO-在一級(jí)裂解過程中，分別脫去CO2和CH2CO，得到與a相同的準(zhǔn)分子離子峰(m/z381)，不利于區(qū)分進(jìn)一步的裂解。故采用H/D交換的方法[12 - 15]，將O元素相連的活潑氫與氘原子交換，進(jìn)而分析其裂解規(guī)律。氘代產(chǎn)物a(D)、b(D)和c(D)一級(jí)質(zhì)譜掃描分別得m/z382、383和381的準(zhǔn)分子離子峰(圖2)，對(duì)比交換前a、b、c準(zhǔn)分子離子峰m/z381，推測(cè)其活潑氫(酚羥基氫和羧羥基氫)分別被1、2、0個(gè)氘原子取代，這與對(duì)應(yīng)的分子結(jié)構(gòu)中活潑氫個(gè)數(shù)相吻合?；衔颿(D)與a(D)的結(jié)構(gòu)差異在于苯環(huán)相連的酯基，故其一級(jí)裂解與其相關(guān)。許多研究[16]表明，在ESI電離過程中，質(zhì)子通常先加合在熱力學(xué)穩(wěn)定位點(diǎn)，這一位點(diǎn)有時(shí)并不直接誘導(dǎo)離子裂解，當(dāng)質(zhì)子從熱力學(xué)穩(wěn)定的初始位點(diǎn)轉(zhuǎn)移到某一特定位點(diǎn)時(shí)，才能進(jìn)一步發(fā)生電荷誘導(dǎo)的解離。由此推測(cè)，圖2中化合物c(D)的碎片離子m/z381和m/z409(豐度16.21%)是O5位點(diǎn)質(zhì)子化后，氫轉(zhuǎn)移誘導(dǎo)的不同方式的裂解反應(yīng)：一種是甲基氫遷移至O5位點(diǎn)后裂解脫除COCH2，另一種是質(zhì)子化的O5位點(diǎn)在氫轉(zhuǎn)移至羰基后脫去亞甲基，形成碎片離子的路徑，如圖3所示。

準(zhǔn)分子離子進(jìn)一步碰撞誘導(dǎo)裂解(CID，Collision-induced Dissociation)(圖4)，出現(xiàn)了丟失19 u(或18 u)、33 u和41 u(或42 u)的碎片離子，且以丟失19 u(或18 u)的離子峰豐度最大，丟失33 u的離子峰次之，丟失41 u(或42 u)的離子峰豐度最小。結(jié)合a(D)、b(D)和c(D)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，推測(cè)19 u(或18 u)與41 u(或42 u)的裂解方式，與分子結(jié)構(gòu)中氘取代的位點(diǎn)有關(guān)，而33 u的丟失，則可能是化合物分子結(jié)構(gòu)中相同的部分。

當(dāng)O5位點(diǎn)發(fā)生質(zhì)子化，在正電荷誘導(dǎo)下a(D)、b(D)準(zhǔn)分子離子脫去HDO(19 u)，c(D)脫去H2O(18 u)形成碎片離子。若質(zhì)子化發(fā)生在O4位點(diǎn)(圖5)，五元環(huán)則在正電荷誘導(dǎo)下裂解，脫去H2O和甲基，這一裂解過程與取代的氘原子無(wú)關(guān)，因此三個(gè)化合物都形成丟失33 u的奇電子碎片離子。

準(zhǔn)分子離子CID-MS2丟失41 u(或42 u)的裂解途徑，推測(cè)與分子結(jié)構(gòu)中R1位H(或D)原子相關(guān)，當(dāng)O2位點(diǎn)質(zhì)子化，同環(huán)雙烯結(jié)構(gòu)在正電荷誘導(dǎo)下發(fā)生RDA(Retro Diels-Alder reaction)裂解，脫去CHCO(或者CDCO)形成奇電子陽(yáng)離子(圖6)。

鍵能用來描述化學(xué)鍵的穩(wěn)定程度，其數(shù)值大小表示化學(xué)鍵斷裂所需的能量，鍵能越大，鍵穩(wěn)定性越高，斷裂越困難。根據(jù)式(1)計(jì)算化合物a(D)CID-MS2不同裂解途徑的鍵能，結(jié)果列于表1，發(fā)現(xiàn)裂解丟失HDO所需的鍵能最小，碎片離子[M+H-HDO]+總能量最低，穩(wěn)定性最高，其次是碎片離子[M+H-H2O-CH3]+和[M+H-CHCO]+，CID-MS2質(zhì)譜圖中碎片離子峰豐度[M+H-HDO]+>[M+H-H2O-CH3]+>[M+H-CHCO]+，理論計(jì)算的結(jié)果也驗(yàn)證了裂解過程推測(cè)的可能性。

表1 a(D)CID-MS2裂解能的計(jì)算結(jié)果

2.2 化合物a(D)、b(D)和c(D)的幾何構(gòu)型和Mulliken電荷分析

運(yùn)用密度泛函理論對(duì)化合物a(D)、b(D)和c(D)初始結(jié)構(gòu)進(jìn)行全自由度優(yōu)化，獲得穩(wěn)定的幾何結(jié)構(gòu)，Mulliken電荷分布示于圖7，編號(hào)1～7為不同的氧原子。從計(jì)算結(jié)果看，三個(gè)化合物都以O(shè)5原子電負(fù)性最強(qiáng)，O2、O4原子次之，也就是說，在ESI-MS正離子掃描模式下，O5位點(diǎn)最容易加氫離子化，其次是O2和O4位點(diǎn)。這與推導(dǎo)的裂解途徑也相吻合。

3 結(jié)論

本工作采用H/D交換法，對(duì)橘霉素衍生物CID-MSn裂解過程及裂解機(jī)理進(jìn)行研究，結(jié)合密度泛函理論，分析碎片離子的結(jié)構(gòu)和相關(guān)物理化學(xué)特征。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和Mulliken電荷分布都表明，O5、O2、O4是質(zhì)子化的有利位點(diǎn)，誘導(dǎo)進(jìn)一步裂解。CID-MS2觀測(cè)到丟失H2O/HDO形成的離子碎片豐度最大，其次是丟失H2O和-CH3形成的離子碎片，丟失CHCO/CDCO形成的離子碎片豐度最小，計(jì)算結(jié)果也表明，各離子碎片的總能量依次增大，穩(wěn)定性降低，鍵斷裂能隨碎片離子總能量的增大而增大。這為進(jìn)一步研究橘霉素衍生物質(zhì)譜裂解途徑提供實(shí)驗(yàn)和理論依據(jù)，也為其他物質(zhì)的質(zhì)譜裂解研究提供參考。