基于DFT计算解释两种酰腙化合物质谱差异

吴生秀,张 苹,王 毅,孙媛媛,赵 彤

(西安瑞联新材料股份有限公司,陕西 西安 710086)

基于DFT计算解释两种酰腙化合物质谱差异

吴生秀,张 苹,王 毅,孙媛媛,赵 彤

(西安瑞联新材料股份有限公司,陕西 西安 710086)

通过GC/MS对3′,4′,5′-三甲氧基苯乙酮异烟酰腙及3′,4′,5′-三甲氧基苯乙酮皮考林酰腙在电子轰击离子化(EI)方式下的裂解途径和机理做以阐释，总结了裂解规律.采用密度泛函理论(Density functional theory,DFT)优化了两种烟腙的稳定结构，并计算了两种烟腙质谱裂解过程中的C-N、C-C键能及产物的能量，从理论上解释了两种化合物质谱图所存在的差异性.

异烟酰腙；皮考林酰腙；气质联用；质谱裂解机理；密度泛函理论

酰腙类化合物是由酰肼与醛或酮缩合而成的一类席夫碱类化合物，因其具有特殊的化学结构，使其具有良好的生物活性、较强的配位能力和多样的配位方式，因此在医药、农药、材料和分析试剂等众多领域获得了广泛的关注[1],异烟肼为临床上常用的抗结核药，异烟腙衍生物具有广泛的生物活性，尤其是杀菌活性[2-3].以异烟肼和香草醛合成的异烟腙已作为药物广泛应用于临床治疗结核病.合成新型的活性更强的酰腙类化合物已成为医药研发领域的一个新的研究热点.

酰腙类化合物由于具有较强的配位能力和多样的配位形式，可与众多的金属离子生成金属配合物，所以在分析测试、催化学、非线性化学等众多领域也得到广泛应用[4-6].

有机质谱在医药研发领域作为有力的工具已被广泛应用，对于同分异构体因具有相似的裂解途径，从而具有相同的碎片离子，其差异可能仅是离子丰度上的差异，所以仅通过质谱来鉴别同分异构体成为质谱研究领域的一个难点.随着量子化学理论的快速发展，利用质谱和密度泛函理论计算相结合的方式可以从根本上来解释质谱的裂解途径和机理，对化合物的构效研究具有重要的意义[7].

大多数质谱碎裂是单分子离子的分解反应,研究和阐明各类化合物的质谱特征和裂解机理已成为质谱研究的热点.为了准确认识质谱数据所反映的化合物质谱行为及其结构特点，应用密度泛函理论计算方法，研究了异烟腙及其异构体的的裂解方式和裂解机理，对比了碎片离子的稳定性，旨在为此类化合物的结构解析提供理论依据.

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

1.1.1 仪器

GC/MS-QP2010Ultra气相色谱质联用仪(日本岛津)，电子轰击离子源(EI)，GC/MS Solution V 2.71工作站.

1.1.2 化合物制备

3′,4′,5′-三甲氧基苯乙酮、4-吡啶甲酰肼、2-吡啶甲酰肼:百灵威科技有限公司; 无水乙醇:天津市科密欧化学试剂有限公司;

以3′,4′,5′-三甲氧基苯乙酮分别与4-吡啶甲酰肼、2-吡啶甲酰肼以无水乙醇做溶剂，60 ℃下，回流4 h反应分别得到两个目标化合物：3′,4′,5′-三甲氧基苯乙酮异烟酰腙 、3′,4′,5′-三甲氧基苯乙酮皮考林酰腙.

1.2 实验条件

色谱柱：安捷伦DB-1MS石英毛细柱(30 m×0.32 mm×0.25 μm).升温程序：180 ℃保持7 min，以20 ℃/min升至300 ℃，保持10 min；载气(He)流速1.43 mL/min，压力48 kPa，称取0.5 mg样品溶于2 mL甲苯，进样量0.5 μL；分流比10∶1.电子轰击(EI)离子源：电子能量70 eV；进样口温度320 ℃；接口温度300 ℃；离子源温度250 ℃；质量扫描范围m/z34～700.

量子化学计算采用Gaussian 03软件完成[8].

2 结果与讨论

2.1 3′,4′,5′-三甲氧基苯乙酮异烟酰腙质谱裂解途径

3′,4′,5′-三甲氧基苯乙酮异烟酰腙质谱图中的重要离子峰及相对丰度列入表1.

表1 电子轰击离子源下3′,4′,5′-三甲氧基苯乙酮异烟腙的碎片离子及其相对丰度Table 1 Relative abundances of characteristic ions in the EI mass spectra of 3′,4′,5′-trimethoxyacetophenone isonicotinoylhydrazone

从表1可以看到，分子被电离后失去一个电子，生成具有较高的稳定性的分子离子峰，在谱图中表现为基峰，m/z314离子为甲氧基通过α断裂失去甲基自由基所产生的，由于对位基团的供电子效应，所以断裂的键最可能为4′位的C-O键，m/z298离子是游离基中心定域在甲氧基氧原子上，与正电荷中心相连的键的一对电子全部被正电荷所吸引，造成单键的断裂和电荷的转移，失去甲氧基自由基.碎片离子中较弱的m/z312离子，生成可能是分子离子峰结构中的酰胺酮式烯醇式互变异构，同时发生α断裂失去羟基自由基所产生的.当游离基中心定域在氨基氮原子上会发生α断裂失去吡啶自由基得到离子m/z251.当发生以C-N键断裂的α裂解时，生成m/z106碎片离子，该离子通过i断裂失去CO得到碎片离子m/z78.碎片离子m/z251失去异氰酸得到离子m/z208.离子m/z208失去甲氧基自由基后生成离子m/z177.谱图中较强的离子m/z223是当游离基中心定域在叔胺氮原子上发生α断裂所生成的.3′,4′,5′-三甲氧基苯乙酮异烟酰腙可能的质谱裂解途径见图1.

2.2 3′,4′,5′-三甲氧基苯乙酮皮考林酰腙质谱裂解途径

3′,4′,5′-三甲氧基苯乙酮苯乙酮皮考林酰腙质谱图中的重要离子峰及相对丰度列入表2.

从表2以看到，3′,4′,5′-三甲氧基苯乙酮苯乙酮皮考林酰腙与3′,4′,5′-三甲氧基苯乙酮异烟酰腙具有相同的碎片离子，但是在丰度上具有很明显的差异，3′,4′,5′-三甲氧基苯乙酮苯乙酮皮考林酰腙质谱图中基峰为m/z223，而分子离子峰较弱丰度为32.4%，而在3′,4′,5′-三甲氧基苯乙酮异烟酰腙质谱图中表现为分子离子峰为基峰，碎片离子m/z223相对丰度仅为10.8%，而导致两种化合物质谱图具有如此差异的仅仅是吡啶环取代位的差异，同时3′,4′,5′-三甲氧基苯乙酮苯乙酮皮考林酰腙中m/z79具有很高的丰度，其相对丰度为27.2%，氨基上氢原子发生重排到吡啶环氮原子上所产生的.由于氮原子的位置差异，所以3′,4′,5′-三甲氧基苯乙酮皮考林酰腙吡啶环上的氮原子具有较强的质子亲和力(PA)，接受和转移氢的能力也就愈大，随分子内的氢重排反应生成奇电子离子m/z79.3′,4′,5′-三甲氧基苯乙酮皮考林酰腙可能的质谱裂解途径见图2.

图1 3′,4′,5′-三甲氧基苯乙酮异烟酰腙可能的质谱裂解途径Fig.1 Possible cleavage pathways of 3′,4′,5′-trimethoxyacetophenone isonicotinoylhydrazone

化合物结构基 峰碎片离子及其相对丰度/%m/z223m/z329m/z314m/z312m/z298m/z296m/z251m/z223m/z20832.44.010.42.43.234.81006.4m/z195m/z192m/z177m/z162m/z136m/z106m/z79m/z785.66.03.21.62.010.027.214.0

2.3 DFT解释3′,4′,5′-三甲氧基苯乙酮异烟酰腙与3′,4′,5′-三甲氧基苯乙酮皮考林酰腙质谱裂解差异性

使用密度泛函的B3LYP方法，以6-311+G*为基组，对反应势能面上的各驻点的构型进行了全几何参数优化，并由频率分析确认了稳定点的正确性．为了得到更精确的能量信息，又在B3LYP/6-311++G(3df,3pd)水平上计算了各驻点的单点能.

从表3和表4可以看出两种酰腙C-N键能为343.94和320.29 kJ/mol，而相应的C-C键能分别为370.23和349.74 kJ/mol.因为两个化合物质谱裂解后生成的碎片离子m/z251和m/z223均是一致的，所以我们认为其所具有的能量及稳定性一致，后面由其所生成的碎片离子的过程一致，所以对比两个化合物的结构和裂解途径，我们从键能的稳定性上来解释其质谱裂解所产生的差异性.

图2 3′,4′,5′-三甲氧基苯乙酮异烟酰腙可能的质谱裂解途径Fig.2 Possible cleavage pathways of 3′,4′,5′-trimethoxyacetophenone picolinoylhydrazone

对比C-C键键能，3′,4′,5′-三甲氧基苯乙酮皮考林酰腙为349.74 kJ/mol，3′,4′,5′-三甲氧基苯乙酮异烟酰腙为370.23 kJ/mol，而当游离基定域在仲氨氮原子上通过游离基中心诱导发生C-C键断裂的α裂解反应，键能低更容易裂解，所以对应的3′,4′,5′-三甲氧基苯乙酮皮考林酰腙的m/z251的离子丰度大于3′,4′,5′-三甲氧基苯乙酮异烟酰腙的m/z251的离子丰度.

对比C-N键键能，3′,4′,5′-三甲氧基苯乙酮皮考林酰腙为320.29 kJ/mol，3′,4′,5′-三甲氧基苯乙酮异烟酰腙为343.94 kJ/mol，当游离基定域在叔氨氮原子上通过游离基中心诱导发生C-N键断裂的α裂解反应，键能低更容易裂解，所以对应的3′,4′,5′-三甲氧基苯乙酮皮考林酰腙的m/z223的离子丰度大于3′,4′,5′-三甲氧基苯乙酮异烟酰腙的m/z223的离子丰度.

而对于分子离子峰的进一步裂解，由于C-C键键能均比C-N键的键能高，所以两种化合物都表现出m/z223离子丰度高于m/z251的离子.

由C-N断裂所生成的离子中还有m/z106碎片离子，其生成是游离基中心定域在羰基氧原子上所诱导发生α裂解反应生成的，依据键能大小，所以其离子丰度上理论m/z106要比m/z251强，从3′,4′,5′-三甲氧基苯乙酮异烟酰腙的质谱图上得以证明，但是从3′,4′,5′-三甲氧基苯乙酮苯乙酮皮考林酰腙的质谱图上来看m/z106的碎片离子的丰度明显低于m/z251的离子丰度，但是其由氢重排生成的m/z79奇电子离子表现出较高的丰度，这是由于两种裂解过程形成了相互竞争的关系.一般而言，根据Stevenson规则[9]失去中性分子更容易一些，所以导致了这种情况.同时碎片离子m/z106与m/z223形成了一种竞争关系，所以谱图中表现出此消彼长的态势.

表3 3′,4′,5′-三甲氧基苯乙酮异烟酰腙各个自由基和正离子的总能量和结合能Table 3 Total energies (TEs) and binding energies (BEs) of free radical and positive ion calculated

表4 3′,4′,5′-三甲氧基苯乙酮皮考林酰腙各个自由基和正离子的总能量和结合能Table 4 Total energies (TEs) and binding energies (BEs) of free radical and positive ion calculated

通过以上的计算键能的对比，键能低的化合物的裂解倾向更强，我们从理论上解释了两种化合物在质谱图上所表现的明显差异性.

3 结论

通过对比两种酰腙化合物由于取代位不同造成的结构差异，在质谱图上所表现出的明显差异性，使用密度泛函的B3LYP方法，以6-311+G*为基组,对两种酰腙异构体的特征质谱碎片离子进行了几何结构优化,确定了各碎片的稳定结构；然后在B3LYP//6-311++G(3df,3pd)水平计算了形成各碎片离子所需的键断裂能,结果表明在两种化合物中特征裂解的C-N键能均比C-C键能低，从理论上解释了质谱图中特征离子的差异性.同时由于空间结构的影响皮考林酰腙更容易发生分子内的氢重排裂解反应生成特征的离子m/z79，根据以上的信息可以为此类化合物的鉴别提供理论依据.

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[责任编辑：吴文鹏]

Analysis on GC/MS of two acylhydrazone compounds by density functional theory

WU Shengxiu,ZHANG Ping,WANG Yi*,SUN Yuanyuan,ZHAO Tong

(Xi’anManarecoNewMaterialsCo.,Ltd,Xi’an710086,Shaanxi,China)

The EI mass spectra of two compounds of 3′,4′,5′-trimethoxyacetophenone isonicotinoylhydrazone and 3′,4′,5′-trimethoxyacetophenone picolinoylhydrazone were analyzed with a gas chromatogram/mass spectrometer,and the fragmentation rules of those were summarized in this paper.Density functional theory (DFT) was used to explain the difference of mass spectrum.The analysis of the study can be used as a reference for further exploration of the fragmentation pathway and mechanism of acylhydrazone compounds in GC/MS.

isonicotinoylhydrazones; picolinoylhydrazone; GC/MS; fragmentation mechanism; DFT

2016-09-01.

吴生秀(1983-),女,助理研究员,研究方向为质谱分析.*

,E-mail:Orbitrap@163.com.

O657.63

A

1008-1011(2017)01-0081-06