莫雅雯，蔡 雪，曹小吉，2，莫衛(wèi)民

（1．浙江工業(yè)大學 化學工程學院，杭州310014； 2．浙江工業(yè)大學 分析測試中心，杭州310014）

吲哚及其衍生物具有抗病毒、抗氧化、抗增殖等作用，是常用的化學合成模板［1－6］，在雜環(huán)化學中占有非常重要的位置。結構表征和構效關系的研究是開發(fā)利用吲哚衍生物功能有機分子的重要環(huán)節(jié)。電噴霧電離（ESI）串聯(lián)質譜技術是表征和研究吲哚衍生物結構性質的有效手段之一，已取得了一定的進展［7－12］。質子化離子（［M＋H］＋）是電噴霧電離中最常產生的一種偶電子離子，其在碰撞誘導解離（CID）模式下解離，一般遵循“偶電子離子規(guī)則”，產生偶電子碎片離子和中性丟失。近年來，質子化離子碰撞解離產生奇電子碎片離子和自由基丟失的裂解反應機理引起了人們的關注［13－15］。

本工作采用電噴霧電離－高能量碰撞誘導解離質譜技術（ESI－HCD－MS／MS），結合密度泛函理論（DFT）計算和 H／D交換試驗，探討了質子化3－苯硫基吲哚衍生物在HCD解離模式下解離產生特征的3－（取代苯基）－吲哚自由基陽離子（奇電子離子）、吲哚自由基陽離子（奇電子離子）以及3－硫代吲哚陽離子的反應機理。

1 試驗部分

1．1 儀器與試劑

Thermo Fisher Q Exactive組合型四極桿 Orbitrap質譜儀（分辨率＞7 000，F(xiàn)WHM），配 H－ESI II源及Xcalibur 2．2數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

鄰氯苯硫基吲哚、對氟苯硫基吲哚、鄰甲氧基苯硫基吲哚、對異丙基苯硫基吲哚、間氯苯硫基吲哚、苯硫基吲哚、間甲基苯硫基吲哚等7個3－苯硫基吲哚衍生物（純度大于84%）；甲醇為色譜純。

1．2 儀器工作條件

1）質譜條件 電噴霧離子源，正離子模式；以標準校正液（caffeine，MRFA and Ultramark 1621）對質譜分析器的質量軸進行校正；霧化氣為氮氣，流量3．0L·min－1；噴霧電壓3．0kV；毛細管溫度350℃；碰撞氣為氮氣，碰撞能量為27%，母離子的選擇質量寬度為1．0m／z。

2）計算條件 所有的理論計算均是在Gaussian 03軟件上完成的。應用DFT在B3LYP水平上，采用6－31G（d）雜化基組對化合物的結構進行模擬和優(yōu)化。在結構優(yōu)化過程中，忽略對稱性限制。母離子、中間體和產物離子在結構優(yōu)化中沒有虛頻產生，為真正的極小值；而過渡態(tài)結構優(yōu)化完成時，有且僅有一個虛頻，并且其具有恰當?shù)恼駝邮噶?。所有的?yōu)化結構均在298．15K和1．01×105Pa條件下進行了振動頻率分析，計算所得的能量為電子能和內能之和。

1．3 試驗方法

稱取適量樣品，用甲醇溶解，配制成質量分數(shù)約為0．001%的溶液，過0．45μm濾膜，用注射泵輸送至質譜儀中進行檢測。

2 結果與討論

2．1 質子化3－苯硫基吲哚衍生物離子的HCD－MS／MS分析

7個3－苯硫基吲哚衍生物在高分辨高能量碰撞解離質譜（HCD－MS／MS）下裂解產生的主要碎片離子見表1。

表1 3－苯硫基吲哚衍生物在高分辨HCD－MS／MS下產生的主要碎片離子數(shù)據(jù)Tab．1 High－resolution HCD－MS／MS data showing fragmentation of the 3－（phenylthio）－1 H－indoles

由表1可知：碎片離子的精確質量數(shù)的測量值與理論值的誤差均在±4．0×10－6內，推測的碎片離子的元素組成結果準確可靠；7個3－苯硫基吲哚衍生物的質子化離子高能碰撞解離，裂解模式相同，各碎片離子的豐度隨著取代基種類的不同而變化。

以3－苯硫基吲哚（化合物6）為例，其［M＋H］＋（m／z226．067 6）在 HCD解離模式下，中性丟失巰基自由基、苯和苯硫自由基分別產生3－苯基吲哚自由基陽離子（a，m／z193．088 6）、3－硫代吲哚陽離子（b，m／z148．021 5）和吲哚自由基陽離子（c，m／z117．057 5），見圖1。

2．2 碎片離子a、b和c的產生機理

試驗以3－苯硫基吲哚為模版化合物，采用DFT計算結合H／D交換試驗詳細探討碎片離子a、b和c的形成機理。3－苯硫基吲哚的結構式及其質子化位點見圖2。

圖1 3－苯硫基吲哚［M＋H］＋的 HCD－MS／MS圖Fig．1 HCD－MS／MS spectrum of［M＋H］＋of 3－（phenylthio）－1 H－indole

圖2 3－苯硫基吲哚的結構式及其質子化位點Fig．2 Structural formula of 3－（phenylthio）－1 H－indole and its protonation sites

文獻［16－19］研究表明，吲哚衍生物的熱力學最穩(wěn)定的質子化位點會受到吲哚環(huán)上取代基的影響。為了確定3－苯硫基吲哚的熱力學最穩(wěn)定的質子化位點，試驗在B3LYP水平上應用6－31G（d）雜化基組對其可能的質子化位點進行了DFT模式計算，結果見表2。

表2 3－苯硫基吲哚不同質子化位點離子的相對能量Tab．2 Relative energies of the ions at different protonation sites of 3－（phenylthio）－1 H－indole

由表2可知：外加質子加合在3－苯硫基吲哚的C2原子上產生的質子化離子MH2的能量比加合在其N1、C3、C4、S以及C5原子上時產生質子化離子MH1、MH3、MH4、MH5以及 MH6的能量低23．4～86．0kJ·mol－1，表明C2原子是該化合物熱力學最穩(wěn)定的質子化位點。然而，當外加質子加合在該位點時，直接正電荷誘導解離并不能產生碎片離子a、b和c。

若要得到中性丟失巰基自由基生成碎片離子a，在C5－S化學鍵斷裂前，苯環(huán)必須重排遷移到吲哚環(huán)上，見圖3。

圖3 推測的3－苯硫基吲哚質子化的裂解機理Fig．3 Proposed fragmentation mechanism of protonated 3－（phenylthio）－1 H－indole

經過四元環(huán)過渡態(tài)（TS－a1，191．5kJ·mol－1），苯環(huán)上的C6原子親核進攻吲哚環(huán)上C3原子，隨后C3－S化學鍵異裂，形成中間體 MH－a1，然后C2位上的 其 中 一 個 氫 通 過 1，5－質 子 遷 移 （TS－a2，131．4kJ·mol－1）轉移至 S原子上形成中間體MH－a2，接 著 發(fā) 生 1，2－氫 負 離 子 遷 移 （TS－a3，157．1kJ·mol－1），均裂中性丟失 HS自由基，生成碎片離子a；當MH2的C2位上的氫直接發(fā)生1，4－質子遷移（TS2，194．3kJ·mol－1）轉移到苯環(huán) C5原子上，C5－S鍵電荷誘導異裂，中性丟失苯則生成b離子；當MH2的C2位上的氫發(fā)生1，2－氫負離子遷移（TS3，116．7kJ·mol－1）轉移到 C3原子上，C3－S鍵均裂，中性丟失苯硫自由基，則生成碎片離子c。

3－苯硫基吲哚質子化離子的斷裂勢能曲線見圖4。

圖4 3－苯硫基吲哚質子化離子的斷裂勢能曲線Fig．4 Potential energy curve of fragmentation of protonated 3－（phenylthio）－1 H－indole

為了進一步驗證圖3所示的裂解機理，通過H／D交換試驗，研究了活潑氫完全氘代的3－苯硫基吲哚的氘交換離子（［M－d1＋D］＋）的高分辨HCDMS／MS譜圖，結果見表3。

表3 3－苯硫基吲哚的［M－d1＋D］＋的高分辨HCD－MS／MS數(shù)據(jù)Tab．3 High－resolution HCD－MS／MS data of［M－d1＋D］＋ of 3－（phenylthio）－1 H－indole

由表3可知：化合物6的［M－d1＋D］＋在HCD解離模式下，產生了兩種a同位素離子，分別為含有一個氘原子的a－d1離子（m／z194．095 0）和含有兩個氘原子的a－d2離子（m／z195．101 5），還產生了兩種b同位素離子，分別為含有一個氘原子的b－d1離子（m／z149．027 8）和含有兩個氘原子的bd2離子（m／z150．034 0）。表明吲哚環(huán)C2位上的氫參與了圖3所示的1，5－質子遷移和1，4－質子遷移反應，與推測的機理相符。

本工作采用高分辨的ESI－HCD－MS／MS，結合DFT計算和H／D交換試驗，對3－苯硫基吲哚衍生物質子化離子的裂解反應機理進行了系統(tǒng)研究。結果表明，該類化合物的質子化離子在高能碰撞解離模式下，通過苯基親核取代重排，C－S鍵均裂，中性丟失巰基自由基，生成了3－（取代苯基）－吲哚自由基離子；通過1，4－質子遷移，C－S鍵異裂，產生了3－硫代吲哚陽離子；通過1，2－氫負離子遷移，C－S鍵均裂，則產生了特征的吲哚自由基陽離子。本試驗可對今后3－苯硫基吲哚衍生物的合成、表征及特征離子譜庫的建立提供參考依據(jù)。

感謝沈振陸教授提供研究樣品！

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