高校飛，程金財(cái)，肖 閃

(1.東華理工大學(xué)，江西省質(zhì)譜科學(xué)與儀器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330013；2.東華理工大學(xué)分析測試中心，江西 南昌 330013)

1931年，Pauling[1]根據(jù)He2+分子體系提出二中心三電子(2c3e)鍵，其核心是分子中自由基中心原子的s/p軌道中未成對電子與分子中未被氧化原子的s/p軌道中的電子對相互作用形成三電子σ半鍵(即2c3e鍵)，其中2個(gè)電子占據(jù)分子的σ成鍵軌道，1個(gè)電子占據(jù)σ反鍵軌道[2-3]。2c3e鍵通常存在于自由基化學(xué)、生物化學(xué)、光化學(xué)等反應(yīng)過程中長壽命的自由基中間體中，并在這些化學(xué)過程中發(fā)揮重要作用[4-9]。例如，2c3e鍵在蛋白質(zhì)中可以作為電子傳遞的中繼站[6]，促進(jìn)蛋白質(zhì)的電子轉(zhuǎn)移[10]，能夠?qū)е乱恍┎豢赡婕膊。绨柎暮ＤY[11]。

以硫?yàn)橹行牡?c3e鍵一直是研究者們關(guān)注的重點(diǎn)[3,7-8,12-17]，主要圍繞理論計(jì)算[7,17-19]和光譜性質(zhì)[10,20-21]開展研究。由于大多數(shù)自由基不穩(wěn)定，關(guān)于其結(jié)構(gòu)研究的報(bào)道較少[15]。傳統(tǒng)主要采用電子順磁共振(EPR)或X射線衍射(XRD)研究以硫?yàn)橹行牡?c3e鍵結(jié)構(gòu)。由于S為非磁性核，用EPR進(jìn)行結(jié)構(gòu)鑒定存在缺陷[15]；而采用XRD則通常需要獲得單晶。質(zhì)譜具有靈敏度高、檢測速度快、成本低、樣品用量少等特點(diǎn)[22-25]，通過串聯(lián)質(zhì)譜能夠獲得目標(biāo)離子的裂解規(guī)律，從而對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行解析。1987年，Asmus等[26]首次報(bào)道了[i-Pr2S∴S-i-Pr2]+離子，并采用串聯(lián)質(zhì)譜對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，隨后Illies等[4-5,27]通過質(zhì)譜法研究了多種2c3e自由基陽離子的結(jié)構(gòu)。目前，已報(bào)道的以硫?yàn)橹行牡?c3e鍵通常由自由基(陽離子)與R1—S—R2等硫醚類中性分子反應(yīng)形成，而自由基陽離子與R1—S—S—R2等含二硫鍵中性底物反應(yīng)形成2c3e鍵的相關(guān)研究較少。

水自由基陽離子H2O+·中的氧原子未配對的電子可以與一些中性分子中含孤對電子的原子作用，形成含2c3e鍵的水自由基陽離子復(fù)合物，如[H2O∴OH2]+、[H2O∴NH3]+、[H2O∴SH2]+等[17-19,24-25]。本研究以MeS-SMe(二甲基二硫)、EtS-SEt(二乙基二硫)、n-PrS-S-n-Pr(二丙基二硫)、i-PrS-S-i-Pr(二異丙基二硫)、t-BuS-S-t-Bu(二叔丁基二硫)等具有不同位阻的二硫中性底物為研究模型，擬結(jié)合直接質(zhì)譜分析技術(shù)和同位素標(biāo)記實(shí)驗(yàn)，研究位阻不同時(shí)二硫-水自由基陽離子復(fù)合物[RS-SR+H2O]+·(R=Me，Et，n-Pr，i-Pr，t-Bu)中2c3e鍵結(jié)構(gòu)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器與裝置

常壓化學(xué)離子源：江西省質(zhì)譜科學(xué)與儀器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自制；LTQ-MS線性離子阱質(zhì)譜儀：美國Thermo Fisher Scientific公司產(chǎn)品；數(shù)據(jù)采集及分析在Xcalibur程序上進(jìn)行。

1.2 主要材料與試劑

氘代水(D2O)(99.9%)、二甲基二硫、二乙基二硫、二丙基二硫、二異丙基二硫和二叔丁基二硫：純度>98%，北京百靈威科技有限公司產(chǎn)品；實(shí)驗(yàn)用水：由Millipore純水儀制備。

1.3 實(shí)驗(yàn)條件

自制APCI離子源；放電電壓2.3 kV；離子傳輸管溫度150 ℃；毛細(xì)管電壓1.0 V；透鏡電壓30.0 V；質(zhì)量掃描范圍m/z15～200。

2 結(jié)果與討論

2.1 H2O+·與CH3S-SCH3模型反應(yīng)的質(zhì)譜分析

參照文獻(xiàn)[25,28]的方法，使用雙通道裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在通道1中，采用能量可控的電暈放電技術(shù)對水的氣溶膠進(jìn)行電離，制備水自由基陽離子；在通道2中，通過載氣將樣品氣溶膠引入在線產(chǎn)生水自由基陽離子的三維空間。在線制備的H2O+·與CH3S-SCH3樣品在三維空間反應(yīng)后，直接進(jìn)入與雙通道裝置串聯(lián)的質(zhì)譜儀進(jìn)行在線監(jiān)測與分析。在線制備的H2O+·與CH3S-SCH3反應(yīng)得到m/z112 ([CH3S-SCH3+H2O]+·，M1+·)，示于圖1a。H2O+·中O上的單電子與CH3S-SCH3中S的孤電子對相互作用形成σ半鍵(2c3e鍵)，推測復(fù)合物離子m/z112中2c3e結(jié)構(gòu)為[CH3(CH3S)S∴OH2]+·。由于2c3e鍵的鍵級為0.5，斷裂所需的能量比常規(guī)σ鍵低，在串聯(lián)質(zhì)譜中優(yōu)先發(fā)生解離，該位點(diǎn)相關(guān)的碎片離子相對含量更高[4]。若H2O+·與CH3S-SCH3反應(yīng)得到的復(fù)合離子m/z112中2c3e鍵為[S∴O]+鍵(即半鍵在S與O之間)，[S∴O]優(yōu)先斷裂，丟失H2O，得到[CH3S-SCH3]+·(m/z94)。

為進(jìn)一步探究m/z112(M1+·)中2c3e鍵的結(jié)構(gòu)，對其進(jìn)行碰撞誘導(dǎo)解離(CID)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果示于圖1b。值得注意的是，當(dāng)CID能量為16%時(shí)，M1+·的主要裂解產(chǎn)物離子是m/z65(母離子丟失CH3S·(47 u))和m/z66(母離子丟失CH2=S(46 u))。選擇碎片離子m/z65和m/z66進(jìn)行CID實(shí)驗(yàn)，分別丟失1分子H2O得到m/z47[CH2=SH+]、m/z48[CH3SH+·]，推測m/z65和m/z66分別為[CH3SOH+H]+和[CH3SH+H2O]+·，示于圖1c。由此表明，在串聯(lián)質(zhì)譜中，復(fù)合物(m/z112)的S—S鍵優(yōu)先于S—O鍵斷裂，M1+·(m/z112)中2c3e結(jié)構(gòu)不是[S∴O]鍵，而是[S∴S]鍵。

圖1 常壓下H2O+·與CH3S-SCH3在線反應(yīng)的質(zhì)譜圖(a)，以及M1+·的二級(b)和三級(c)質(zhì)譜圖Fig.1 Mass spectrum of reaction between H2O+· and CH3S-SCH3 at ambient condition (a), MS/MS (b) and MS/MS2 (c) spectra of M1+·

2.2 氘代水同位素標(biāo)記實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證上述結(jié)論，進(jìn)行了同位素標(biāo)記實(shí)驗(yàn)。

相同條件下，用D2O代替H2O，在線制備D2O+·。D2O+·與CH3S-SCH3反應(yīng)得到m/z114([CH3S-SCH3+D2O]+·，M2+·)，示于圖2a。由于實(shí)驗(yàn)是在敞開環(huán)境中進(jìn)行的，空氣中的H2O會與反應(yīng)體系中的D2O發(fā)生交換，產(chǎn)生m/z112(M1+·)。當(dāng)CID能量為21%時(shí)(圖2b)，m/z114 (M2+·)裂解產(chǎn)生的主要離子為m/z66(母離子丟失CH2DS·(48 u))和m/z68(母離子丟失CH2=S(46 u))。m/z66、68分別丟失1分子HOD(19 u)得到子離子m/z47[CH2=SH+]、m/z49[CH3SD+·]，示于圖2c。由此可知，m/z66和m/z68分別為[CH3SOD+H]+和[CH3SD+HOD]+·，且均為M2+·中二硫鍵斷裂的產(chǎn)物。由串聯(lián)質(zhì)譜結(jié)果推測，M2+·復(fù)合物中發(fā)生了S—S鍵斷裂，且S—S鍵優(yōu)先于S—O鍵斷裂，M2+·(m/z114)中的2c3e結(jié)構(gòu)不是[S∴O]鍵，而是[S∴S]鍵。

圖2 常壓下D2O+·與CH3S-SCH3在線反應(yīng)的質(zhì)譜圖(a)，以及M2+·的二級(b)和三級(c)質(zhì)譜圖Fig.2 Mass spectrum of reaction between D2O+· and CH3S-SCH3 at ambient condition (a), MS/MS (b) and MS/MS2 (c) spectra of M2+·

2.3 不同位阻二硫-水自由基陽離子復(fù)合物的質(zhì)譜研究

當(dāng)二硫化物的取代基為位阻較小的甲基時(shí)，H2O+·中O上的單電子與CH3S-SCH3中S的孤對電子發(fā)生作用，形成含[S∴S]鍵的自由基化合物。為進(jìn)一步探究此問題，考察了乙基、丙基、異丙基和叔丁基4種基團(tuán)對[RS-SR+H2O]+·中2c3e鍵結(jié)構(gòu)的影響。

當(dāng)取代基為位阻較小的乙基時(shí)，H2O+·與CH3CH2S-SCH2CH3反應(yīng)生成m/z140([CH3CH2S- SCH2CH3+H2O]+·，M3+·)，示于圖3a。M3+·裂解產(chǎn)生的主要子離子有m/z61[CH3CH=SH+](母離子丟失CH3CH2S·+H2O(79 u))、m/z62[CH3CH2SH+·](母離子丟失CH3CH=S+H2O(78 u))、m/z79[CH3CH2SOH+H]+(母離子丟失CH3CH2S·(61 u))和m/z80[CH3CH2SH+H2O]+·(母離子丟失CH3CH=S(60 u))，示于圖3b、3c。這4種離子均為自由基離子復(fù)合物二硫鍵斷裂的產(chǎn)物，且CH3CH=SH+、CH3CH2SH+·的相對豐度明顯低于[CH3CH2SOH+H]+和[CH3CH2SH+H2O]+·。綜合串聯(lián)質(zhì)譜數(shù)據(jù)，可推斷復(fù)合物M3+·(m/z140)裂解時(shí)S—S鍵比S—O鍵優(yōu)先斷裂，M3+·(m/z140)中2c3e結(jié)構(gòu)應(yīng)該是[S∴S]鍵，而不是[S∴O]鍵。

圖3 常壓下H2O+·與CH3CH2S-SCH2CH3在線反應(yīng)的質(zhì)譜圖(a)，以及M3+·的二級(b)和三級(c)質(zhì)譜圖Fig.3 Mass spectrum of reaction between H2O+· and CH3CH2S-SCH2CH3 at ambient condition (a), MS/MS (b) and MS/MS2 (c) spectra of M3+·

當(dāng)取代基為丙基時(shí)，H2O+·與CH3(CH2)2S-S(CH2)2CH3反應(yīng)生成復(fù)合物離子m/z168([CH3(CH2)2S-S(CH2)2CH3+H2O]+，M4+·)，示于圖4a。M4+·發(fā)生二硫鍵斷裂產(chǎn)生離子m/z75[CH3CH2CH=SH+](母離子丟失CH3CH2CH2S·+H2O(93 u))、m/z76[CH3CH2-CH2SH+·](母離子丟失CH3CH2CH=S+H2O(94 u))、m/z93[CH3(CH2)2SOH+H]+(母離子丟失CH3CH2CH2S·(75 u))和m/z94[CH3(CH2)2SH+H2O]+·(母離子丟失CH3CH2CH=S(74 u))，示于圖4b、4c。此外，還產(chǎn)生m/z74、108等豐度較低的離子，主要涉及S—S、S—C骨架鍵的斷裂，以及分子重排、H自由基轉(zhuǎn)移等化學(xué)過程。未明顯發(fā)現(xiàn)[S∴O]+鍵斷裂產(chǎn)生的產(chǎn)物離子m/z150[CH3(CH2)2S-S(CH2)2CH3]+·，其相對強(qiáng)度遠(yuǎn)低于[S∴S]+鍵斷裂的產(chǎn)物離子。

當(dāng)取代基為異丙基時(shí)，H2O+·與(CH3)2CHS-SCH(CH3)2反應(yīng)生成m/z168([CH3(CH2)2S-S(CH2)2CH3+H2O]+，M5+·)，示于圖4d。M5+·與M4+·的分子質(zhì)量相同，但在相同能量(CE 23%)下，二者產(chǎn)生的子離子明顯不同，分別示于圖4b、4e。其中，圖4b中相對豐度最高的碎片離子是m/z108，而圖4e中相對豐度最高的碎片離子是m/z150，均由M5+·離子丟失H2O得到。圖4e中相對中等強(qiáng)度的離子m/z126和m/z108主要經(jīng)過S—C骨架鍵的斷裂、分子重排和H自由基轉(zhuǎn)移等化學(xué)過程得到。M5+·裂解產(chǎn)物中，S—S鍵斷裂得到的產(chǎn)物離子m/z74的相對豐度明顯小于S—O鍵斷裂的產(chǎn)物m/z150。因此，二硫化物取代基位阻較大的M5+·復(fù)合物裂解時(shí)，S—O鍵優(yōu)先于S—S鍵斷裂。當(dāng)二硫化物取代基的位阻進(jìn)一步增大時(shí)(取代基為叔丁基)，叔丁基二硫-水自由基陽離子復(fù)合物([(CH3)3CS-SC(CH3)3+H2O]+·，M6+·)裂解時(shí)，S—O鍵斷裂產(chǎn)生的m/z178碎片離子強(qiáng)度遠(yuǎn)高于S—S鍵斷裂的產(chǎn)物離子強(qiáng)度，示于圖5。因此，當(dāng)二硫化合物取代基位阻較大時(shí)，二硫-水自由基陽離子復(fù)合物中2c3e結(jié)構(gòu)應(yīng)是以[S∴O]鍵為主。

圖4 常壓下H2O+·與CH3(CH2)2S-S(CH2)2CH3(a)和 (CH3)2CHS-SCH(CH3)2(d)反應(yīng)的質(zhì)譜圖，M4+·(b)和M5+·(e)的二級質(zhì)譜圖，M4+·的三級質(zhì)譜圖(c)及主要碎裂離子結(jié)構(gòu)圖(f)Fig.4 Mass spectra of reaction between H2O+· and CH3(CH2)2S-S(CH2)2CH3(a), (CH3)2CHS-SCH(CH3)2(d) at ambient condition, MS/MS spectra of M4+·(b) and M5+·(e), MS/MS2 spectrum of M4+·(c), and structures of main product ions(f)

圖5 常壓下H2O+·與(CH3)CS-SC(CH3)3在線反應(yīng)的質(zhì)譜圖(a)和m/z 196的二級質(zhì)譜圖(b)Fig.5 Mass spectrum of reaction between H2O+· and (CH3)CS-SC(CH3)3at ambient condition (a), MS/MS spectrum of m/z 196 (b)

自由基離子復(fù)合物的氣相解離行為與復(fù)合物中取代基密切相關(guān)，其原因可能有2種：1) 取代基的電子效應(yīng)。缺電子的水自由基陽離子靠近二硫化物中含孤對電子的硫時(shí)，給電子效應(yīng)相對較強(qiáng)的叔丁基(相對甲基、乙基等)增加了硫原子周圍的電子云密度，穩(wěn)定了S原子上的單電子，使得復(fù)合物中S—S鍵更穩(wěn)定；2) 取代基的位阻效應(yīng)。高位阻的取代基阻礙了缺電子的水自由基陽離子進(jìn)一步靠近二硫化物中的S原子，使得復(fù)合物中O與S的距離更遠(yuǎn)，2個(gè)原子間的作用力更弱。因此，當(dāng)取代基為異丙基、叔丁基等給電子效應(yīng)較強(qiáng)的高位阻基團(tuán)時(shí)，復(fù)合物中半鍵在S與O之間，即2c3e鍵是以[S∴O]鍵為主。當(dāng)取代基為甲基、乙基、丙基等位阻相對較低的基團(tuán)時(shí)，水自由基陽離子進(jìn)一步靠近二硫化物中S原子的阻礙降低，形成較穩(wěn)定的S—O鍵(S—O鍵的穩(wěn)定性高于S—S鍵)，復(fù)合物中半鍵在2個(gè)S原子之間，即2c3e鍵是以[S∴S]鍵為主。

3 結(jié)論

本文通過質(zhì)譜法研究了二硫化物取代基位阻不同時(shí)，二硫-水自由基陽離子復(fù)合物中2c3e鍵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。結(jié)果表明，當(dāng)二硫化物取代基為甲基、乙基、丙基等位阻較小的基團(tuán)時(shí)，二硫-水自由基陽離子復(fù)合物中2c3e鍵以[S∴S]鍵為主；當(dāng)二硫化物取代基為異丙基、叔丁基等位阻較大的基團(tuán)時(shí)，以[S∴O]鍵為主。由此可見，結(jié)構(gòu)環(huán)境的不同對自由基結(jié)構(gòu)的性質(zhì)有著重要影響，本研究有助于理解與2c3e鍵有關(guān)的化學(xué)反應(yīng)和生物體中自由基傳遞過程機(jī)理。