4-F-α-PVP 類似物4-F-3-Methyl-α-PVP 鹽酸鹽的結(jié)構(gòu)解析與表征

王昊陽，吳劍，張倩，閔新峰，劉秀艷，郭寅龍

中國科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所，上海 200032

目前，新精神活性物質(zhì)（new psychoactive substance，NPS）在世界范圍內(nèi)不斷涌現(xiàn)，已成為國際禁毒領(lǐng)域公認(rèn)的難題。NPS 又稱策劃藥以及毒品類似物，一部分是不法分子為逃避打擊，通過對列管精神藥物或毒品的結(jié)構(gòu)進(jìn)行修飾而得到的類似結(jié)構(gòu)化合物，另一部分則是設(shè)計(jì)或篩選出來的，是精神活性物質(zhì)向毒品轉(zhuǎn)變的過渡形態(tài)[1]。NPS 生產(chǎn)簡單、違法成本較低、交易形式隱蔽，在歐美等國家呈快速蔓延之勢。NPS 的種類也在不斷變化，因?yàn)E用危害嚴(yán)重，越來越多的NPS 被列管為毒品[2]。

合成卡西酮類的結(jié)構(gòu)類似于苯丙胺，主要是對苯丙胺類化合物分子骨架上的芳環(huán)、α 碳和胺基進(jìn)行了修飾，可以產(chǎn)生大量結(jié)構(gòu)類似的化合物。這些修飾后的卡西酮類似物被認(rèn)為可能具有更大的藥物依賴性和毒性風(fēng)險(xiǎn)[3]?？ㄎ魍愃莆锏臑E用與欣快、好斗、暴力行為、心動(dòng)過速、癲癇發(fā)作、幻覺、興奮、譫妄甚至死亡有關(guān)[4-5]。1-（4-氟苯基）-2-（N-吡咯烷基）-1-戊酮［1-（4-fluorophenyl）-2-（1-pyrrolidinyl）pentan-1-one，4-F-α-PVP；CAS 號為850352-62-4］、1-（4-甲氧基苯基）-2-（N-吡咯烷基）-1-戊酮［1-（4-methoxyphenyl）-2-（1-pyrrolidinyl）pentan-1-one，4-MeO-α-PVP；CAS號為14979-97-6］和1-苯基-2-（N-吡咯烷基）-1-戊酮［1-phenyl-2-（1-pyrrolidinyl）pentan-1-one，α-PVP；CAS 號為14530-33-7］均屬于2015 年10 月1 日起實(shí)施的《非藥用類麻醉藥品和精神藥品列管辦法》[6]中的管制品種（化學(xué)結(jié)構(gòu)見圖1），2021 年7 月9 日相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[7]發(fā)布，規(guī)定了法庭科學(xué)領(lǐng)域疑似毒品樣品中1-苯基-2-（N-吡咯烷基）-1-丁酮［1-phenyl-2-（1-pyrrolidinyl）butan-1-one，α-PBP］、α-PVP 和4-F-α-PVP 的液相色譜-質(zhì)譜定性檢驗(yàn)方法和液相色譜定量檢驗(yàn)方法。本研究在沒有對照品的情況下，借鑒文獻(xiàn)[8-12]報(bào)道，對新近繳獲的檢材進(jìn)行綜合譜學(xué)表征與分析，擬為法庭科學(xué)實(shí)驗(yàn)室在鑒別和分析該化合物以及類似化合物時(shí)提供參考。

圖1 4-F-α-PVP 及其類似物的化學(xué)結(jié)構(gòu)Fig.1 Chemical structures of 4-F-α-PVP and its analogs

1 材料與方法

1.1 樣本

未知化合物由公安機(jī)關(guān)在緝毒工作中繳獲，外觀為白色晶體，可研磨成白色粉末。

1.2 主要儀器與試劑

5973N 質(zhì)譜儀（美國Agilent公司）；GCMS-QP2010 Ultra 氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀（日本島津公司）；Q Exactive HF 靜電場軌道阱超高分辨質(zhì)譜儀（美國Thermo Fisher Scientific 公司），配電噴霧離子源（electrospray ionization，ESI）和VanquishTM超高效液相色譜（ultra-high performance liquid chromatography，UPLC）；AVANCE NEO 500 MHz核磁共振波譜儀（德國Bruker公司）；DionexTMAquionTM離子色譜系統(tǒng)（美國Thermo Fisher Scientific 公司）；Nicolet iZ10 紅外光譜儀（美國Thermo Fisher Scientific 公司）；Milli-Q Advantage A10 超純水系統(tǒng)（美國Millipore 公司）。

甲醇、乙腈、甲酸（色譜純，德國Merck 公司），氘代氯仿（CDCl3，99.8%；美國劍橋同位素實(shí)驗(yàn)室）。

1.3 儀器條件

1.3.1 直接進(jìn)樣電子電離-質(zhì)譜（electron ionizationmass spectrometry，EI-MS）分析條件

直接進(jìn)樣桿采用程序升溫，正離子模式，離子源的電子能量為70 eV，質(zhì)量掃描范圍為m/z35～500。

1.3.2 GC-MS 分析條件

J&W DB-5ms 石英毛細(xì)管柱（30 m×0.25 mm，0.25 μm；美國Agilent 公司）。升溫程序：140 ℃保持3 min，20 ℃/min升至300 ℃，保持13 min。載氣為氦氣，流速1 mL/min，分流比為20∶1，溶劑延遲3 min，進(jìn)樣口溫度280 ℃，EI 源電子能量70 eV，離子源溫度230 ℃，傳輸線溫度250 ℃，質(zhì)量掃描范圍為m/z35～500。

1.3.3 電噴霧離子化-高分辨質(zhì)譜（electrospray ionizationhigh resolution mass spectrometry，ESI-HRMS）分析條件

樣品溶液直接進(jìn)樣分析，流動(dòng)相A 為0.1%甲酸水溶液，流動(dòng)相B 為甲醇，正離子全掃描及串聯(lián)質(zhì)譜掃描；噴霧電壓3.5 kV，噴霧溫度350 ℃，霧化氣（N2）35 Arb，輔助氣（N2）15 Arb；一級質(zhì)譜掃描范圍為m/z100～1 000，二級質(zhì)譜碰撞能量10～40 eV。

1.3.4 超高效液相色譜-高分辨串聯(lián)質(zhì)譜（ultra-high performance liquid chromatography-high resolution tandem mass spectrometry，UPLC-HRMS/MS）分析條件

ACQUITY UPLC BEH C18色譜柱（2.1 mm×100 mm，1.7 μm；美國Waters公司），柱溫40 ℃，流動(dòng)相A為0.1%甲酸水溶液，流動(dòng)相B 為乙腈。梯度洗脫程序：初始為5%B，0～8.0 min 5%B～90%B，8.0～9.5 min 90%B，9.5～9.6 min 90%B～5%B，9.6～12 min 5%B。流速為0.4 mL/min，進(jìn)樣量為1 μL。采用ESI 離子化方式，噴霧電壓3.5 kV，噴霧溫度350 ℃，霧化氣（N2）35 Arb，輔助氣（N2）15 Arb；正離子串聯(lián)質(zhì)譜掃描，串聯(lián)質(zhì)譜碰撞能量40 eV。

1.3.5 核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR）分析條件

對樣品分別進(jìn)行核磁共振氫譜（1H-nuclear magnetic resonance，1H-NMR；500 MHz）、核磁共振碳譜（13C-nuclear magnetic resonance，13C-NMR；126 MHz）、氫-碳異核單量子相關(guān)譜（1H-13C heteronuclear single quantum correlation spectroscopy，1H-13C HSQC）和異核多鍵碳?xì)湎嚓P(guān)譜（1H-13C heteronuclear multiple bond correlation spectroscopy，1H-13C HMBC）分析。1H的化學(xué)位移參考氘代氯仿中殘留的氯仿峰定為δ=7.26，13C 的化學(xué)位移參考氘代氯仿的峰定為δ=77.16。

1.3.6 離子色譜分析條件

分析柱DionexTMIonPacTMAS14A（4 mm×250 mm）和保護(hù)柱DionexTMIonPacTMAG14（4 mm×50 mm；美國Thermo Fisher Scientific 公司）；柱溫30 ℃，淋洗液為0.75 mmol/L NaHCO3和6.0 mmol/L Na2CO3，檢測方式為電導(dǎo)檢測器，流速1.0 mL/min，進(jìn)樣量25 μL。

1.3.7 傅里葉變換紅外光譜（Fourier transform infrared spectroscopy，F(xiàn)TIR）分析條件

樣品采用溴化鉀壓片法進(jìn)行FTIR 分析，采集范圍為4 000～400 cm-1，波長分辨率為4 cm-1，采樣32次。

1.4 樣品處理

取微量樣品，首先進(jìn)行直接進(jìn)樣EI-MS 分析。再以甲醇為溶劑，將樣品配制成質(zhì)量濃度約1 μg/mL 的溶液，供GC-MS 分析。用初始流動(dòng)相將樣品配制成質(zhì)量濃度約1 μg/mL 的溶液，供ESI-HRMS 與UPLCHRMS/MS分析。取適量樣品溶解于1 mL氘代氯仿中，供NMR 分析。精確稱取5 mg 樣品溶于10 mL 容量瓶中，加入去離子水溶解、稀釋、定容，供離子色譜分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 直接進(jìn)樣EI-MS 和GC-MS 分析

該樣品直接進(jìn)樣EI-MS 分析的質(zhì)譜圖（圖2A）中主要離子見表1，EI-MS 譜圖中的基峰為m/z126。樣品GC-MS 分析的總離子流色譜圖見圖2B，主成分保留時(shí)間為7.95 min。將EI-MS譜圖（圖2A）與美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST）質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫（https://doi.org/10.18434/T4D303）進(jìn)行比對和檢索，盡管未檢索到完全相匹配的結(jié)果，但是檢索得到的一系列可能的類似化合物結(jié)構(gòu)，給該未知化合物的結(jié)構(gòu)解析提供了重要線索。

表1 未知化合物EI-MS 譜圖中主要的離子Tab.1 Major ions of the unknown compound in EI-MS spectrum

圖2 未知化合物的EI-MS譜圖和GC-MS總離子流色譜圖Fig.2 EI-MS spectrum and GC-MS total ion chromatogram of the unknown compound

NIST 質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫檢索推薦的可能結(jié)構(gòu)為4-Methyl-α-PVP，該化合物EI-MS 譜圖中也含有m/z126 的基峰[12]，是分子離子發(fā)生α 裂解反應(yīng)丟失中性4-甲基苯甲?；杂苫?，形成的1-丁烯基吡咯1-亞胺正離子m/z126，對應(yīng)的分子式為C8H16N+，而且4-F-α-PVP 的EI-MS 譜圖中的基峰也是m/z126。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)：4-Methyl-α-PVP 在EI-MS中發(fā)生α 裂解反應(yīng)得到豐度較低的4-甲基苯甲酰基正離子m/z119，對應(yīng)的可能是未知化合物EI-MS 譜圖中的碎片離子m/z137，結(jié)合對4-F-α-PVP EI-MS 譜圖中類似裂解過程產(chǎn)生的4-氟苯甲?；x子m/z123 進(jìn)行分析，推測該未知化合物極有可能為苯環(huán)上多了1 個(gè)甲基的4-F-α-PVP 結(jié)構(gòu)類似物。隨后對該樣品進(jìn)行了ESI-HRMS、UPLC-HRMS/MS、NMR、FTIR 和離子色譜分析，來解析其準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)。

2.2 ESI-HRMS 和UPLC-HRMS/MS 分析

在正離子化模式下，樣品的ESI-HRMS 譜圖（圖3A）主要顯示m/z264 的離子，預(yù)測其分子式為C16H23FNO+，相對誤差僅為0.38×10-6。這一結(jié)果進(jìn)一步支持了該化合物是4-F-α-PVP 的苯環(huán)上多了1 個(gè)甲基的推測。m/z264 離子在UPLC-HRMS/MS 譜圖（圖3B）中主要產(chǎn)物離子的分子式分析結(jié)果（表2）也支持這一推測。樣品的UPLC-HRMS/MS 總離子流色譜圖見圖3C，主成分的保留時(shí)間為4.72 min。

表2 m/z 264 離子在UPLC-HRMS/MS 譜圖中的主要產(chǎn)物離子Tab.2 Major product ions of the ion at m/z 264 in UPLC-HRMS/MS spectrum

圖3 未知化合物的ESI-HRMS 和UPLC-HRMS/MS 譜圖Fig.3 ESI-HRMS and UPLC-HRMS/MS spectra of the unknown compound

2.3 NMR 分析

樣品的EI-MS 譜圖（圖2A）和ESI-HRMS/MS 譜圖（圖3B）都表明了該未知化合物可能為苯環(huán)上含甲基的4-F-α-PVP 結(jié)構(gòu)類似物，苯環(huán)上甲基和氟原子的具體位置需要進(jìn)一步分析確認(rèn)。

樣品的1H-NMR、13C-NMR、1H-13C HMBC 和1H-13C HSQC 譜圖分別見圖4。表3 總結(jié)了樣品1H-NMR譜圖（圖4A）和13C-NMR 譜圖（圖4B）中化學(xué)位移的信息。

表3 未知化合物1H-NMR 和13C-NMR 的化學(xué)位移值Tab.3 1H-NMR and 13C-NMR chemical shift of the unknown compound

圖4 未知化合物的1H-NMR、13C-NMR、1H-13C HMBC、1H-13C HSQC 譜圖Fig.4 1H-NMR，13C-NMR，1H-13C HMBC，1H-13C HSQC spectra of the unknown compound

甲基與氟原子的位置經(jīng)NMR 分析得到了確認(rèn)。在1H-13C HMBC 譜圖（圖4C）中，C-16（δ=195.25）與H-9（δ=7.93）和H-12（δ=7.96）的相關(guān)信號表明甲基與氟原子不在C-9 和C-12 位。在13C-NMR 譜圖（圖4B）中，芳香區(qū)氟對碳的耦合常數(shù)（J）和碳的種類分析如下：C-14（δ=165.40，J=257.4 Hz，符合13C-19F 自旋耦合常數(shù)，季碳），C-13（δ=126.48，J=17.9 Hz，季碳），C-11（δ=116.01，J=17.9 Hz，叔碳），C-9（δ=132.84，J=7.0 Hz，叔碳），C-12（δ=129.38，J=9.7 Hz，叔碳），C-15（δ=131.40，J=2.9 Hz，季碳），表明氟原子和羰基處于對位。同時(shí)，在1H-13C HMBC 譜圖（圖4C）中，H（Me）-10（δ=2.27）與C-14（δ=165.40，J=257.4 Hz，季碳）、C-13（δ=126.48，J=17.9 Hz，季碳）和C-9（δ=132.84，J=7.0 Hz，叔碳）的相關(guān)信號（1H-13C HMBC 譜圖中放大的部分）表明甲基處于氟原子鄰位。1H-13C HSQC 譜圖（圖4D）中，H-11（δ=7.05）與C-11（δ=116.01，J=17.9 Hz）的相關(guān)信號表明甲基和氟原子的位置不在C-11 位。

基于以上數(shù)據(jù)可初步推斷未知化合物主體結(jié)構(gòu)為1-（4-氟-3 甲基苯基）-2-（N-吡咯烷基）-1-戊酮［1-（4-fluoro-3-methyl phenyl）-2-（1-pyrrolidinyl）pentan-1-one，4-F-3-Methyl-α-PVP］，由于1H-NMR分析發(fā)現(xiàn)實(shí)際氫的個(gè)數(shù)比4-F-3-Methyl-α-PVP 中性分子多1個(gè)（在δ=11.49，寬單峰），可能對應(yīng)的是1個(gè)活潑氫，因此推斷該化合物以鹽形式存在。隨后使用離子色譜法進(jìn)行分析，表明該化合物含氯離子（含量11.14%～11.16%），這一結(jié)果進(jìn)一步支持了該化合物是一種鹽酸鹽。

2.4 FTIR 分析

樣品的FTIR 分析結(jié)果見圖5。從FTIR 譜圖可以看出：1 682 cm-1處有強(qiáng)尖峰，說明化合物中含有羰基；3 033、3 015 cm-1處為苯環(huán)的C-H 吸收峰，1 601～1 450 cm-1處為苯環(huán)的振動(dòng)吸收峰；2 960～2 870 cm-1處為亞甲基和甲基的振動(dòng)吸收峰；1 339 cm-1處出現(xiàn)C-N-C 吸收峰，3 346 cm-1處為N-H 振動(dòng)峰，說明該未知化合物中有含氮結(jié)構(gòu)，且2 624 cm-1處為銨鹽吸收峰。

圖5 未知化合物的FTIR 譜圖Fig.5 FTIR spectrum of the unknown compound

綜合樣品的質(zhì)譜分析（圖2～3，表1～2）、核磁數(shù)據(jù)信息歸屬（圖4，表3）、FTIR 分析（圖5）和離子色譜分析結(jié)果，最終確定該未知化合物為4-F-3-Methylα-PVP 鹽酸鹽。

2.5 化合物質(zhì)譜裂解規(guī)律分析和結(jié)構(gòu)確證

4-F-3-Methyl-α-PVP 在EI-MS 模式下可能的裂解途徑見圖6。EI-MS 譜圖中的基峰m/z126 可能是4-F-3-Methyl-α-PVP 在EI-MS 模式下發(fā)生α 裂解丟失中性4-氟-3-甲基苯甲?；杂苫纬傻?-丁烯基吡咯1-亞胺正離子m/z126，對應(yīng)的分子式為C8H16N+；或生成正電荷在4-氟-3-甲基苯甲酰基的產(chǎn)物離子m/z137，對應(yīng)的分子式為C8H6FO+，該離子還可以進(jìn)一步脫CO 生成產(chǎn)物離子m/z109，對應(yīng)的分子式為C7H6F+。m/z126 碎片離子同樣存在于4-MeOα-PVP、α-PVP 和4-F-α-PVP 的EI-MS 譜圖中[13]，該離子還可以進(jìn)一步生成m/z96、m/z84 和m/z55 產(chǎn)物離子。4-F-3-Methyl-α-PVP 在EI-MS 模式下還可以發(fā)生α 裂解丟失中性丙基自由基，生成m/z220 的碎片離子。

圖6 EI-MS 模式下4-F-3-Methyl-α-PVP可能的裂解途徑Fig.6 Proposed fragmentation pathways of 4-F-3-Methyl-α-PVP in EI-MS mode

4-F-3-Methyl-α-PVP 在UPLC-HRMS/MS 模式下可能的裂解途徑見圖7。m/z264離子主要發(fā)生丟失中性四氫吡咯的裂解反應(yīng)，生成產(chǎn)物離子m/z193，這是4-F-3-Methyl-α-PVP 在UPLC-HRMS/MS 模式下特有的產(chǎn)物離子[12-13]，在4-F-3-Methyl-α-PVP 的EIMS 譜圖中未發(fā)現(xiàn)，與4-F-α-PVP 在UPLC-HRMS/MS模式下的產(chǎn)物離子m/z179 對應(yīng)[13]。m/z193 離子進(jìn)一步丟失中性丙烯分子得到產(chǎn)物離子m/z151，隨后其再脫CO 生成相對豐度最高的產(chǎn)物離子m/z123。與4-F-α-PVP 在UPLC-HRMS/MS 模式下的裂解過程類似，產(chǎn)物離子m/z137 進(jìn)一步脫CO 生成產(chǎn)物離子m/z109[13]。此外，4-F-3-Methyl-α-PVP 在UPLCHRMS/MS 模式下也可以生成4-氟-3-甲基苯?；x子m/z137和1-丁烯基吡咯1-亞胺正離子m/z126，這與4-F-3-Methyl-α-PVP 在EI-MS 中的碎片離子相同。

圖7 UPLC-HRMS/MS 模式下4-F-3-Methyl-α-PVP可能的裂解途徑Fig.7 Proposed fragmentation pathways of 4-F-3-Methyl-α-PVP in UPLC-HRMS/MS mode

3 結(jié)論

新出現(xiàn)的NPS 對公共健康存在巨大的威脅，也對法庭科學(xué)實(shí)驗(yàn)室的鑒定能力提出了挑戰(zhàn)。本研究以4-F-3-Methyl-α-PVP鹽酸鹽為例，詳細(xì)介紹了在沒有對照品參考的情況下如何對未知化合物進(jìn)行結(jié)構(gòu)解析。本研究通過綜合分析EI-MS、GC-MS、ESI-HRMS、UPLC-HRMS/MS、NMR、離子色譜法和FTIR 分析提供的質(zhì)譜、色譜和波譜信息，最終確定了繳獲的未知化合物為4-F-3-Methyl-α-PVP 的鹽酸鹽。本研究還對該化合物在EI-MS 和UPLC-HRMS/MS 分析條件下生成的碎片離子進(jìn)行了裂解途徑的推導(dǎo)，這些信息將有助于其他法庭科學(xué)實(shí)驗(yàn)室對4-F-3-Methyl-α-PVP鹽酸鹽及其類似物進(jìn)行結(jié)構(gòu)解析和檢測。