实时直接分析高分辨质谱技术研究碳硼烷类化合物

王昊阳,东国卿

(中国科学院上海有机化学研究所 上海 200032)

邻-碳硼烷(closo-1,2-Dicarbadodecaborane或1，2-C2B10H12)是第一个被发现和准确表征的碳硼烷[4]，一直是碳硼烷家族中研究和应用最广泛的一员，也具有较高的商业价值。根据对碳硼烷结构的深入研究，学者们认为其是一种三维的无机苯类似物，26个电子占据了 13个成键轨道,具有“超级芳香性”[5]。碳硼烷具有独特几何球面和疏水性分子表面，显著的热力学稳定性和化学稳定性，被广泛应用于众多领域：作为多功能配体应用于配位/金属有机化学以及用于超分子设计/纳米材料[6]；因独特的激发态行为被用于光电化学研究[7]；在医药方面可利用碳硼烷中高的B含量进行硼中子俘获治疗(Boron neutron capture therapy，BNCT)[8]。此外二十面体碳硼烷笼的平均空间体积略大于一个旋转的苯，原则上，通过将生物活性分子中的芳环替换成碳硼烷基团，可以设计出含疏水碳硼烷药效基团的分子[9]。

与常规的有机化合物质谱分析不同，碳硼烷质谱分析的难点在于其复杂的同位素峰分布，如何解读这些同位素峰，并根据同位素质谱峰的轮廓和其中典型的质谱峰进行准确的质谱定性研究需要深入探讨。作为重要的表征手段，质谱信息对于确认碳硼烷及其衍生物的结构、分子量和元素组成具有重要的意义和价值。由于电子电离(Electron ionization，EI)过程能量较高(运用70 eV的电子)，使得有时碳硼烷及其衍生物的主要信号为碎片离子或产生脱H2的离子物种，这给精确判断结构带来一定不便。电喷雾离子化(Electrospray ionization，ESI)对离子型碳硼烷及其衍生物有较好的响应，但是对一些极性较低的碳硼烷化合物，往往难以得到与结构对应的离子物种。

近年来笔者团队一直从事碳硼烷及其衍生物的质谱科研工作，经过前期研究和方法对比，发现以实时直接分析(Direct analysis in real time，DART)高分辨质谱技术[10-13]为代表的新型原位离子化技术[14-15]是研究碳硼烷类化合物的优选方法。DART离子化技术于2005年被报道[16-17]，具有分析通量高和响应迅速的特点，能迅速实现目标化合物的分析和检测，可大大简化样品制备步骤，尤其是与具有超高分辨率的傅里叶变换离子回旋共振质谱仪(Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry，FTICR MS)联用后，能实现同位素峰分布复杂的目标化合物的快速高精度质谱表征和分析[13]。本研究将运用DART-FTICR MS质谱技术，研究碳硼烷及其衍生物在DART离子化条件下所产生的离子物种，通过得到的高精度质量信息，进一步推测复杂同位素峰所对应的元素组成和可能的归属。FTICR MS有能力对质荷比非常接近的同位素峰信号进行区分，实现准确的离子定性，并通过进一步结合同位素峰的轮廓关系确认质谱峰的归属。本文旨在帮助理解碳硼烷及其衍生物复杂的同位素峰信息，不仅对质谱学表征碳硼烷及其衍生物有一定意义，对质谱学表征同位素峰信息复杂的有机化合物和复合物也有一定参考价值。

1 实验部分

1.1 仪器与实验参数

FTICR MS的质谱仪器参数：脱溶剂毛细管电压(Capillary voltage)：9 V；离子源透镜电压(Tube lens voltage)：100 V；毛细管温度：270 ℃。Multipole 00补偿电压(Offset voltage)：-4 V；multipole 0补偿电压：-4.5 V；multipole 1补偿电压：-8.5 V;lens 0 电压：-4.2 V；lens 1 电压：-14.9 V;gate lens电压：-35.8 V；front lens 电压：-5.2 V。质谱扫描范围为m/z50～800。数据采集和数据分析通过Xcalibur软件进行。

DART离子源参数:DART 离子源(IonSense,Saugus,MA,USA)与线性离子阱-傅里叶变换回旋共振质谱(LTQ-FTICR MS,Thermo Fisher Scientific,Bermen,Germany)连接使用，以获得数据和谱图的采集。DART离子源的设定参数如下：氮气和氦气输出气压：0.5 MPa;DART气体温度:350 ℃。高纯氦被用作为电离气体。隔膜泵(WELCH,Ilmvac)用来保持连接DART离子源和FTICR-MS质谱API接口之间区域的真空。DART离子源的位置及离子源出口与通入到质谱接口的陶瓷管在同一条直线上。DART离子源出口与陶瓷管的距离控制在约12 mm。

1.2 试剂与样品制备

本研究所用到的碳硼烷样品由谢作伟院士课题组提供，在此特别表示感谢。样品加入二氯甲烷溶解后，用Glass(Dip-It)tip玻璃样品棒蘸取溶液进样测定。

2 结果与讨论

2.1 DART高分辨质谱中碳硼烷化合物同位素峰的研究与归属

图1 文中研究的碳硼烷化合物的结构Fig.1 Structures of carboranes studied herein

分析图2可知，与常规有机化合物不同，碳硼烷化合物一般会形成类似正态分布的同位素峰簇。以[1+H]+为例，由于含B元素数量较多，最轻同位素组成所对应的同位素峰往往因为丰度过低而无法被检测到。为了能更好地解析碳硼烷化合物的同位素峰簇，将化合物1在DART正离子与负离子模式下的质谱测定结果与理论模拟结果进行对比，见表1与表2。表1和表2仅对碳硼烷类化合物对应的8个相对丰度较高的同位素峰的m/z进行了总结和分析，*代表同位素峰簇中相对丰度最高的同位素峰。从图2和表1与表2可以看出，化合物1主要同位素质谱峰精确质荷比的测定值与理论模拟值误差较小，而且主要的同位素质谱峰的相对丰度与理论模拟值也能较好吻合。

表1 化合物1在DART正离子模式下主要质谱同位素峰数据分析Table 1 Analyses of major isotopic mass peaks of compound 1 in DART positive ion mode

表2 化合物1在DART负离子模式下主要质谱同位素峰数据分析

2.2 碳硼烷化合物在DART离子化条件下的质谱行为小结及分析

质谱学研究表明：并非所有的碳硼烷化合物在正离子和负离子条件下都可以得到相对应的质谱信号。在DART正离子条件下，本文选择的10个碳硼烷化合物，只有1～5得到了质谱信号；但10个化合物在DART负离子条件下均得到了较好的质谱信号，可以产生[M-H]-或[M+Cl]-离子。如果碳硼烷化合物本身不含Cl，则其在DART负离子条件下形成的[M+Cl]-信号较容易识别和判断。以化合物10为例，在DART负离子条件下可以很快判断出相对丰度最高的同位素峰291.288 7m/z(对应元素组成为C10H2810B211B835Cl-，相对丰度100%)。在分辨率大于1.4×105的情况下，进一步将293m/z的信号放大后可以看到两个质荷比非常接近的同位素峰293.281 4m/z和293.285 8(如图3C所示)，其对应的元素组成分别为C10H2811B1035Cl-(相对丰度35.14%)、C10H2810B211B837Cl-(相对丰度33.06%)，可实现较好的分离，含37Cl的同位素峰是判断离子中Cl元素存在的重要依据。在正离子条件下，含有芳基取代的碳硼烷化合物1～5较容易被检测，得到[M+H]+或[M+NH4]+信号。本文所研究的碳硼烷都含10个B原子，同位素峰簇中相对丰度最高的同位素峰对应的元素组成中一般含2个10B以及8个11B。FTICR MS精确质量的测定结果支持了该结论。表3和表4总结了DART-FTICR MS质谱测定中本文碳硼烷类化合物同位素峰簇中基峰的质荷比与相应元素组成和理论模拟的数据。

表3 碳硼烷化合物1～5在DART正离子模式下的测定数据Table 3 DART-FTICR MS analysis results of carboranes 1～5 in positive ion mode

(续表3)

表4 碳硼烷化合物1～10在DART负离子模式下的测定数据Table 4 DART-FTICR MS analysis results of carboranes 1～10 in negative ion mode

目前已有运用基质辅助激光离子化(MALDI)[18]和ESI质谱[19]技术研究碳硼烷化合物以及相关离子多级质谱行为的报道，但尚无文献明确和系统研究碳硼烷化合物的复杂同位素峰该如何分析和归属。本文运用高分辨质谱技术对DART条件下碳硼烷化合物的质谱行为进行了研究，结果表明：①碳硼烷化合物在DART负离子条件下一般都能得到较好的质谱信号，可以形成[M-H]-或[M+Cl]-；②一般情况下，无论是DART正离子还是DART负离子模式，含10个B的碳硼烷化合物形成的离子同位素峰簇信号中，相对丰度最高的同位素峰包括2个10B以及8个11B；③ 对碳硼烷化合物质谱信号的确认不仅要看主要同位素峰的精确m/z，主要同位素峰的相对丰度也是重要的定性分析依据。将高分辨质谱分析所获得的m/z数据信息与图谱中的同位素峰轮廓分析[20]相结合，是碳硼烷化合物有效的质谱定性分析策略。

2.3 碳硼烷类化合物DART离子化的可能机理探讨

EI-MS技术是碳硼烷类化合物常用的质谱分析手段，文献中邻-碳硼烷(1，2-C2B10H12)的电离能(Ionization energy，IE)为10.1 eV[20-21]。EI质谱技术采用70 eV电子，因此能够实现大多数碳硼烷及其衍生物的电离，但在实际分析中由于挥发性、热稳定性和解吸性能的限制，有些碳硼烷化合物可能无法实现有效的EI质谱分析。此外含有取代基的碳硼烷化合物在EI中容易发生裂解或产生脱H2的离子物种，比如在NIST谱库中邻-碳硼烷EI图谱中丰度最高的离子是142m/z而不是144m/z[22]。ESI质谱技术对离子型碳硼烷及其衍生物有较好的响应，但是对于一些极性较低的碳硼烷化合物难以得到较好的分析结果。

尽管邻-碳硼烷的IE低于DART离子化中He亚稳态的能量(19.8 eV)[23]，但在DART正离子条件下，并未发现本文所研究的碳硼烷化合物由潘宁电离所生成的碳硼烷化合物自由基正离子，仅是一些含有芳基取代的碳硼烷化合物得到[M+H]+或[M+NH4]+信号，更为普遍的是碳硼烷化合物在DART负离子条件下都能得到较好的质谱信号，形成[M-H]-或[M+Cl]-。可能的原因是：①碳硼烷笼上极化的C—H键是偏弱酸性的C—H质子[24-25]，因此丢失碳硼烷笼上极化的C—H键的质子或者是取代基上的活泼质子，是碳硼烷化合物在DART负离子条件下形成[M-H]-的可能原因；②笼结构的“缺电性”使得中性的碳硼烷类化合物容易与负离子结合，因此容易生成[M+Cl]-。本研究中所用的溶剂是二氯甲烷，可能对形成[M+Cl]-有促进作用，此外在溶剂中加入微量的NH4Cl也能较好地促进加合离子的生成。

具有特殊的芳香性、独特电子构型和刚性分子结构的碳硼烷类化合物，在生物、药学、光学、材料等多个领域有越来越多的广泛应用。本文发展了适合碳硼烷类化合物的DART高分辨质谱分析方法和相应的数据分析手段，对碳硼烷类化合物的结构表征有关键价值，同时对同位素信息比较复杂的有机化合物与复合物的结构表征和高分辨质谱分析也有一定的借鉴意义。

3 结 论

本文运用傅里叶变换离子回旋共振高分辨质谱技术对碳硼烷化合物在DART条件下所产生的离子进行了研究和归属，通过与理论值同位素峰的精确m/z和相对丰度进行模拟，确认了碳硼烷化合物在DART条件下所产生的离子的类型与组成。研究结果表明，运用DART-FTICR MS这一高分辨率和高通量的质谱技术开展碳硼烷化合物的质谱研究和测试，不仅可以快速得到高分辨质谱分析结果，碳硼烷特征的同位素峰也可以作为快速在质谱图中定位含多硼质谱信号的有效手段。碳硼烷类化合物DART离子化可能机理的探讨，也支持将负离子模式的DART高分辨质谱技术作为研究碳硼烷类化合物的优选质谱方法。