運(yùn)用量子化學(xué)方法解析大黃酚 ESI-ITMSn中質(zhì)譜行為

崔培王申,張乃峰,王 蒙,方洪壯

(佳木斯大學(xué)藥學(xué)院,黑龍江 佳木斯 154007)

電噴霧離子阱質(zhì)譜是近幾年來迅速發(fā)展并完善起來的一種軟電離質(zhì)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(xué)成分的分析。電噴霧離子阱質(zhì)譜具有高靈敏度、高特異性,其一級(jí)質(zhì)譜圖主要產(chǎn)生準(zhǔn)分子離子峰,而多級(jí)質(zhì)譜能夠提供該化合物的結(jié)構(gòu)信息[1～7]。化合物質(zhì)譜裂解過程中大多數(shù)是單分子離子的分解反應(yīng),可借助量子化學(xué)計(jì)算解析化合物分子及其碎片離子的結(jié)構(gòu)以及研究和闡明化合物質(zhì)譜中的裂解機(jī)理。目前,關(guān)于蒽醌類化合物大黃酚的質(zhì)譜分析的研究雖有很多[8～10],但從分子水平上對(duì)大黃酚分子的質(zhì)譜特征的量子化學(xué)計(jì)算的研究尚未見報(bào)道。本文對(duì)電噴霧離子阱質(zhì)譜下的大黃酚分子及其碎片離子進(jìn)行了量子化學(xué)計(jì)算,研究其質(zhì)譜碎片結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和其質(zhì)譜中斷裂位點(diǎn)及質(zhì)譜裂解途徑。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為大黃酚構(gòu)效關(guān)系及藥物分子合成提供理論依據(jù),并可為解釋其它蒽醌類化合物電噴霧離子阱質(zhì)譜裂解機(jī)理提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器、材料與試劑

安捷倫 G6310質(zhì)譜儀:美國 Agilent公司產(chǎn)品,配有電噴霧離子源(ESI)和 DataAnalysis數(shù)據(jù)處理系統(tǒng);流動(dòng)注射泵:美國 Agilent公司產(chǎn)品。大黃酚對(duì)照品 (批號(hào):110796-200310)購自于中國藥品食品檢定研究院,色譜級(jí)甲醇購自于天津市凱通化學(xué)試劑有限公司。

1.2 質(zhì)譜條件

流動(dòng)注射泵進(jìn)樣流速5μL˙min-1,毛細(xì)管溫度325℃ ,毛細(xì)管電壓13V,氮?dú)鉃榍蕷夂洼o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(jìn)行碰撞誘導(dǎo)解離分析,掃描范圍 m/z 100～ 400,負(fù)離子模式下手動(dòng)提取離子方式依次改變質(zhì)譜的碎裂電壓 (0.1～1.5V)進(jìn)行多級(jí)離子全掃描。

1.3 理論模型與計(jì)算方法

首先用半經(jīng)驗(yàn)量子化學(xué)計(jì)算 AM1方法獲得所有分子及碎片離子的初始幾何構(gòu)型,然后依據(jù)密度泛函理論,在B3LYP/6-31G(d)水平,對(duì)大黃酚的各級(jí)質(zhì)譜碎片離子進(jìn)行了幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化及頻率計(jì)算,確定了各碎片離子的穩(wěn)定結(jié)構(gòu),用 ROB3LYP/6-31G(+)(2d,2p)方法,計(jì)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(jìn)而推導(dǎo)出大黃酚的質(zhì)譜裂解途徑。量子化學(xué)計(jì)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(jì)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(jié)果與討論

2.1 大黃酚質(zhì)譜數(shù)據(jù)的初步分析

大黃酚分子結(jié)構(gòu)如圖1所示,其結(jié)構(gòu)位次編號(hào)由軟件給定。大黃酚 CIDMS質(zhì)譜實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖 2所示。大黃酚在串聯(lián)質(zhì)譜碎裂過程中 ,經(jīng)歷了脫 H、脫 O、脫 CO2、縮環(huán)丟失中性CO小分子等過程。

2.2 大黃酚準(zhǔn)分子離子的分析

2.2.1 能量分析

大黃酚準(zhǔn)分子離子可能的初始結(jié)構(gòu)進(jìn)行幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化、頻率計(jì)算及相應(yīng)的能量計(jì)算,確定了準(zhǔn)分子離子的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。大黃酚準(zhǔn)分子離子初始構(gòu)型可能為失去15位氫、18位氫的2個(gè)體系。結(jié)果表明,2個(gè)體系的自旋污染 S2值均與理想特征值0.7500匹配較好,優(yōu)化后的最終結(jié)果均符合收斂標(biāo)準(zhǔn)(Maximum Force 0.000450;RM S Force 0.000300;Maximum Displacement 0.001800;RMS Displacement 0.001200),頻率計(jì)算均未發(fā)現(xiàn)虛頻,說明各體系構(gòu)型穩(wěn)定正確。能量計(jì)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(zhǔn)分子離子是熱力學(xué)擇優(yōu)結(jié)果。

2.2.2 幾何分析

圖3為大黃酚準(zhǔn)分子離子體系的初始立體構(gòu)型。大黃酚準(zhǔn)分子離子的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化及頻率計(jì)算結(jié)果表明,整個(gè)準(zhǔn)分子離子體系 A、B、C三環(huán)均為近平面結(jié)構(gòu),并且各環(huán)所連的取代基均在此平面內(nèi)呈自由伸展?fàn)顟B(tài)存在。

圖3 大黃酚準(zhǔn)分子離子的幾何結(jié)構(gòu)

2.3 大黃酚 M S2質(zhì)譜碎片離子的解析

大黃酚準(zhǔn)分子離子質(zhì)荷比252.9為母離子進(jìn)行手動(dòng)二級(jí)掃描,獲得碎片離子如圖4所示 ,主要產(chǎn)生 237.9和224.9的碎片離子。

圖4 大黃酚的手動(dòng)二級(jí)質(zhì)譜圖

2.3.1 237.9的碎片離子解析

根據(jù) CIDM S推測(cè)分析,該碎片離子從準(zhǔn)分子離子的體系上脫去質(zhì)量數(shù)為15的基團(tuán),此基團(tuán)為-CH3。C環(huán)上的甲基呈自由伸展?fàn)顟B(tài),受空間位阻較小在裂解過程易斷裂。對(duì)質(zhì)荷比252.9的母離子進(jìn)行幾何構(gòu)型優(yōu)化,得出各個(gè)原子的幾何參數(shù),從鍵長角度來分析,其準(zhǔn)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(zhǔn)分子離子的主要產(chǎn)物,其豐度可達(dá)100% ,與大黃酚質(zhì)量數(shù)相差28,丟失的基團(tuán)顯然為CO。大黃酚脫去一個(gè)氫形成準(zhǔn)分子離子過程中,C環(huán)的電荷發(fā)生離域性變化,優(yōu)化后結(jié)果顯示14位上的酚羥基由 C-O變成 C=O雙鍵。大黃酚準(zhǔn)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(qiáng)的活性,在此確定碎片離子224.9的構(gòu)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(jì)算結(jié)果見表 1,10位 失去 CO所需的鍵斷裂能最小 ,故本次裂解發(fā)生在10位上。

2.4 質(zhì)荷比224.9的碎片離子MS3質(zhì)譜解析

以質(zhì)荷比224.9作為母離子,改變其碎裂電壓,獲得質(zhì)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(fā)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(jí)質(zhì)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(zhì)量數(shù)為15的碎片離子,而碎片離子 224.9的結(jié)構(gòu)中僅存在一個(gè)甲基,本次裂解就發(fā)生此位點(diǎn)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(fā)生脫去反應(yīng)的位置在6、7、14號(hào)位 ,對(duì)可能形成的3個(gè)體系進(jìn)行能量計(jì)算,經(jīng)計(jì)算6號(hào)位失去 CO的鍵斷裂能為0.0651 hatree,7號(hào)位失去 CO的鍵斷裂能為0.1416 hatree,14號(hào)位失去 CO的鍵斷裂能為0.0376 hatree,14號(hào)位發(fā)生反應(yīng)所需能量較少所以容易在此位點(diǎn)上反應(yīng)。(3)碎片離子180.9。本次裂解丟失質(zhì)量數(shù)為44,顯然是CO2,但是從碎片離子224.9的結(jié)構(gòu)上分析 ,未發(fā)現(xiàn)有羧基之類的基團(tuán)存在,推測(cè)此次裂解應(yīng)該是分步進(jìn)行的,根據(jù)母離子的結(jié)構(gòu)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(shí)應(yīng)在 196.9的碎片離子中存在質(zhì)荷比 180.9的碎片離子,但對(duì)其進(jìn)行掃描未發(fā)現(xiàn),故排除此方式。碎片離子224.9在離子阱內(nèi)先形成不穩(wěn)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(yùn)用量子化學(xué)計(jì)算各原子的自旋密度,發(fā)現(xiàn) O18(0.301464)的自旋密度為所有氧原子中最大,將在反應(yīng)中易失去。同時(shí)對(duì)所形成的結(jié)構(gòu)進(jìn)行能量計(jì)算,發(fā)現(xiàn)6號(hào)位失去 CO為熱力學(xué)擇優(yōu)結(jié)果,可見方式②的推測(cè)是正確的。

2.5 大黃酚的 M S4質(zhì)譜解析

大黃酚的三級(jí)質(zhì)譜主要產(chǎn)生質(zhì)荷比209.9、196.9、180.9的碎片離子,分別將其作為母離子進(jìn)行四級(jí)裂解,所得結(jié)果見圖2。(1)質(zhì)荷比209.9的后續(xù)離子。209.9的碎片離子主要有兩種裂解方式產(chǎn)生:① 253.0→237.9→ 209.9;② 253.0→224.9→ 209.9。分別以質(zhì)荷比209.9作為母離子按兩種方式進(jìn)行不同碰撞電壓下的四級(jí)質(zhì)譜掃描,經(jīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在此次裂解中僅產(chǎn)生質(zhì)荷比181.9的碎片離子,并且兩種方式出現(xiàn)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(jié)構(gòu)是相同的。由質(zhì)荷比209.9裂解到質(zhì)荷比 181.9失去質(zhì)量數(shù)為28的基團(tuán),通過 CIDMS分析表明,此次裂解為 CO中性小分子的丟失。能量結(jié)果表明,失去6號(hào)位的酚羥基所用能量為0.1415hatree;失去7號(hào)位的羰基的鍵斷裂能為0.2265hatree;失去14號(hào)位的羰基的鍵斷裂能為0.4383 hatree,經(jīng)比較失去6號(hào)位的酚羥基為此次裂解的反應(yīng)位點(diǎn)。(2)質(zhì)荷比196.9的后續(xù)離子。以196.9為母離子進(jìn)行不同碎裂電壓的掃描,主要發(fā)現(xiàn)質(zhì)荷比 168.9和181.7的碎片離子,分別失去質(zhì)量數(shù)為28和15的基團(tuán),根據(jù)碎片離子 196.9的分子構(gòu)型分析,失去質(zhì)量數(shù)為28的基團(tuán)很可能是在6號(hào)位和7號(hào)位上發(fā)生脫羰基縮環(huán)反應(yīng),運(yùn)用量子化學(xué)方法在UB3LYP/6-31G(d)水平上計(jì)算電荷變化以及自旋密度,結(jié)果發(fā)現(xiàn),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(shù)據(jù)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(fā)生在 C6和 O15的基團(tuán)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(jìn)一步說明了 C6和 O15是本次反應(yīng)的活性中心。質(zhì)荷比181.7的碎片離子很明顯是由196.9失去 22號(hào)位上的甲基形成的。(3)180.9的后續(xù)離子。結(jié)合碎片離子180.9的離子構(gòu)型可知,質(zhì)量數(shù)由180.9到153.1變化了約28,此次反應(yīng)是在 7號(hào)位失去 CO形成的。

3 結(jié)論

本文運(yùn)用量子化學(xué)方法來解析大黃酚分子在離子阱電噴霧質(zhì)譜中的裂解規(guī)律,依據(jù)密度泛函理論,采用 B3LYP/6-31G(d)方法計(jì)算質(zhì)譜碎片離子的幾何參數(shù)、電荷變化、自旋密度以及 ROB3LYP/6-31G(+)(2d,2p)水平下鍵斷裂能的計(jì)算,經(jīng)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(wěn)定結(jié)構(gòu)以及裂解方式與 CIDMS所推斷的裂解規(guī)律相吻合,成功地解釋了大黃酚分子在 ESI-ITMS中裂解現(xiàn)象。

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