DFT对MSTFA及其含氟衍生物的质谱裂解反应机理研究

2021-06-04孙彭亮蔡万苍刘世熙曹秋娥

云南大学学报（自然科学版） 2021年3期

孙彭亮，蔡万苍，刘世熙**，曹秋娥，王毅

(1.云南大学化学科学与工程学院，云南昆明650091；2.西安瑞联新材料股份有限公司，陕西西安710077)

质谱技术因具有检测精确度高、分析速度快、灵敏度高等优点，已成为分析科学中不可或缺的分析工具之一[1-2].它是将被测物质离子化，按离子的质荷比分离，测量各种离子谱峰的强度而实现分析目的的一种分析方法[2].在发展分离分析技术的同时，如何解读质谱、从质谱中正确提取数据、把质谱的裂解规律与化合物的结构联系起来仍然是当今分析化学中面临的一个巨大挑战与瓶颈问题.而在质谱分析中，把难于分析的样品转化为与其化学结构相似的衍生物，使其质谱图更易解析称为样品的衍生化[3].三甲基硅烷衍生物因其独特的化学性质使得其在质谱分析领域中受到高度的重视.然而，对于该类衍生物的性质及应用的研究已有诸多报道[4-7]，其中N-甲基-N-（三甲基硅烷）三氟乙酰胺（MSTFA）是目前使用最广泛的三甲基硅烷衍生化试剂之一[8-11]，对该类衍生化试剂的研究有助于对三甲基硅烷衍生物质谱图的特征离子峰进行归属.通过对其反应机理的探究，能够指导合成和开发具有特异性功能的新型衍生化试剂，进一步拓展现有试剂的应用范围，建立现有试剂新的衍生化方法，降低样品的前处理难度和复杂度.王毅等[12]通过谱图分析对MSTFA及其含氟衍生物的质谱重排反应进行了研究.但到目前为止，通过理论计算对其质谱裂解反应机理及裂解反应竞争关系的研究尚无文献报道.

质谱图的横坐标是碎片离子的质荷比（m/z），纵坐标为碎片离子的丰度[13].离子的丰度越高，表明生成该离子的裂解反应越有利，而这又与分子的结构相关联[14-16].影响碎片离子丰度的基本因素一般包括产物的稳定性、空间因素和键的不稳定性.在质谱分析中，分子裂解的方式很多，包括σ断裂、α断裂、i断裂、重排反应、置换反应和消除反应等[17-18].其中骨架重排反应较为特殊，其产生的碎片离子的归属难以确定，往往造成对分子结构的错误判断，所以对骨架重排反应裂解机理的研究相当重要[19-22].然而，只利用质谱图分析推导反应机理的过程往往缺乏理论数据的支持，而这可以通过理论计算为其提供更有力的解释和说明.Gaussian是一款成熟的量子化学软件包，是目前在科研领域应用最广泛的计算化学软件，其中包含了海量的理论算法和计算精度[23-25].在质谱裂解反应机理研究方面，由于较高的计算精度，密度泛函理论被广泛应用[2,26-29].

本文的目的是提供一种新的、普遍适用的从头计算质谱预测方法，用以预测碎片路径和质谱数据.基于此，本文使用Gaussian09，采用密度泛函理论（DFT）方法，在6-311G**基组下对MSTFA及其含氟衍生物的裂解机理进行系统研究.并基于对可能碎片的键级、自然电荷和能量的直接计算，解析α断裂和i断裂的竞争关系，同时分析对质谱图中碎片峰丰度造成影响的因素，并研究此类重排特征离子的生成途径，以期为经过N-甲基-N-（三甲基硅烷）三氟乙酰胺衍生化后的质谱产物归属及同类化合物的质谱解析提供理论指导.

1 计算细节

本文使用Gaussian09[30]，采用密度泛函的理论方法，在使用广泛的B3LYP/6-311G**[31]水平下对MSTFA骨架重排反应路径上的各驻点（反应物Ⅰ，分子离子Ⅱ，中间体Ⅲ，产物Ⅳ、Ⅴ）进行了结构的优化，得到的几何构型如图1所示.对优化后的各驻点结构同样在B3LYP/6-311G**水平下对其进行振动分析，结果显示各稳定的结构均不存在虚频振动，这表明了优化结构的正确性.同时，也在B3LYP/6-311G**水平下对N-（三甲基硅烷）三氟乙酰胺电荷中心诱导的α断裂反应、重排反应和i断裂反应的各个驻点进行结构优化与振动分析，结果也显示了各稳定结构均不存在虚频振动，这也表明了优化结构的正确性，其得到的几何构型如图2所示.由于Gaussian09内置的NBO3.0在功能和精度上有所欠缺，所以本文使用了NBO 6.0[32-33]，对分子进行了自然键轨道（NBO）分析，对各驻点进行布局分析，得到了反应物、分子离子、中间体及产物的成键方式和原子电荷分布.

图1 MSTFA重排反应各驻点（反应物Ⅰ，分子离子Ⅱ，中间体Ⅲ，产物Ⅳ，Ⅴ）的优化后几何构型Fig.1 Optimized geometry of the stationary points(ReactantⅠ,Molecular IonⅡ,IntermediateⅢ,ProductⅣ,Ⅴ)of MSTFA rearrangement reaction.

图2 MSTFA电荷中心诱导的i断裂反应产物Ⅵ和产物Ⅶ优化几何构型Fig.2 Optimized geometry of I-cleavage reaction Product VI and Product VII induced by MSTFA charge center.

2 结果与讨论

2.1 质谱重排反应

2.1.1 分子离子的形成质谱裂解反应的第一步是在电子轰击下分子离子的形成，在质谱仪中分子会优先失去整个体系中电离能最低的电子[17,23,34].反应物与分子离子相比较，其差别在于反应物分子不带电荷且自旋多重度为1，而分子离子带电数为1且自旋多重度为2.从优化后的结构分析可以发现化合物在失去一个电子后，几何构型发生了变化.通过能量计算得到，由于几何构型的变化使得分子离子的能量高于反应物的能量874.72 kJ/mol，反应需要较高的能量.但在质谱仪中，在电子轰击的环境下完全能够提供反应所需的能量.而对于结构优化后的反应物及分子离子进行NBO布局分析，得到的反应物的自然电荷分布及部分成键信息可见支撑信息表1（见网站http://www.yndxxb.ynu.edu.cn），得到的分子离子的自然电荷分布及成键信息可见支撑信息表2（见网站http://www.yndxxb.ynu.edu.cn）.

对比支撑信息表1及表2中的自然电荷分布，得知反应物中N原子的自然电荷为-0.81398，而分子离子中N原子的自然电荷为-0.43933，可以初步判定电荷中心定域在杂原子N上.由于分子离子失去了一个电子，存在一个未成对单电子，自旋多重度为2，所以体系为开壳层体系.众所周知，电子轨道分为α自旋轨道和β自旋轨道，而从计算结果可得知，这个单电子在α轨道上.从布局分析中也可以得到N原子的杂化方式为sp2杂化，在反应物的N原子中存在一对孤对电子（LP，N2），电子占据数为1.661 48，全部来自于原子的p轨道.在分子离子中，α轨道上N原子存在1个未成对电子，电子占据数为0.910 76.但在β轨道上N原子不存在孤对电子.结果进一步确定在质谱仪中化合物受到电子轰击后，N原子p轨道上的孤对电子中的一个电子被脱去.

2.1.2 游离基中心诱导的α断裂首先，在形成分子离子后，定域在N上的游离基中心就会诱导发生α断裂，使得Si上相连的甲基脱去，生成甲基自由基及一个偶电子离子（中间体Ⅲ），其偶电子离子所带电荷数为1，自旋多重度为1.在MSTFA的质谱图中，存在m/z184的碎片离子[12]，即分子离子脱去甲基后形成的中间体Ⅲ.三甲基硅衍生物的质谱图中均会出现[M-15]+特征离子碎片，一般会被用于确认分子离子峰.其次，对中间体的几何构型进行分析，Si―N键键长0.17098 nm，是标准的硅氧双键键长.C(13)，C(9)，C(7)，C(3)几乎在一个平面上，进一步验证Si和N之间存在π键.通过能量计算，得到α断裂反应的产物总能量高于反应物总能量的122.44 kJ/mol，相比于分子离子的生成，α断裂所需的能量较少.最后，对结构优化后的中间体进行NBO布局分析，得到的自然电荷分布及部分成键信息示于支撑信息表3（见网站http://www.yndxxb.ynu.edu.cn）.

布局分析的计算结果表明Si原子和N原子均不存在孤对电子，说明其价电层的电子均已成键.从成键性质分析，Si和N之间存在2个键.一个是由杂化轨道上的电子形成的σ键，一个是由2个原子的p轨道上的电子形成的π键.且电子很大程度偏向N原子，π键上的一对电子89.54%归属于N原子. 对比支撑信息中的表1、表2及表3的自然电荷分布，得知中间体中Si原子自然电荷为2.01077，相比于分子离子中Si原子的1.720 12和反应物中Si原子的1.765 57有明显的提高.中间体中的N原子的自然电荷为-0.915 05，明显低于分子离子中N原子的自然电荷-0.43933，但这与反应物的自然电荷值相近.通过数据对比，得出α断裂反应后，分子离子中N原子上的正电荷转移到了Si原子上.正电荷的转移，促使下一步反应能够进行的活化中心得以形成[35].最后从NBO布局分析的结果来看，中间体应该存在共振现象，其共振结构式示于图3.

图3 化合物Ⅲ的共振结构式Fig.3 Resonancestructure formula of compound Ⅲ.

2.1.3 骨架重排我们对骨架重排反应进行详细研究，发现是F原子进攻带正电的Si原子，形成了F―Si键，同时造成N―Si键的断裂，生成了1个偶电子离子和1个中性分子.计算得到，产物总能量高于反应物总能量185.52 kJ/mol.结构优化得到的产物Ⅳ中N―C(6)键长为0.145 96 nm，是标准的氮氧双键的键长. O―C(6)键的键长为0.13930 nm，O―C(8)键的键长为0.140 98 nm，C(6)―O―C(8)的键角为61.75°，可以得出产物Ⅳ中存在一个三元环.通过结构优化分析，可以推断出反应得到的中性分子（产物Ⅳ）为N-(3,3-二氟环氧乙烷-2-亚基)甲胺，偶电子离子（产物V）为氟代二甲基硅正离子，则产物Ⅴ对应m/z77的离子峰.最后对产物Ⅳ进行NBO布局分析，得到的自然电荷分布及成键信息可见支撑信息中表4（见网站http://www.yndxxb.ynu.edu.cn）.从产物Ⅳ的布局分析结果来看，N原子的自然电荷数为-0.453 61，这与分子离子中N原子的电荷数相近，而且高于反应物与中间体中N原子的电荷数.这种现象的产生是由于N―Si键断裂而在N原子和C(6)原子之间形成了1个π键.Si原子的电负性小于C原子，中间体Ⅲ中硅氮双键的成键电子分别有82.56%和89.54%归属于N原子，而在产物Ⅳ中形成氮碳双键的电子分别仅有57.93%和58.61%归属于N原子.

从产物的几何构型及自然电荷分布分析，骨架重排反应的裂解机理是电负性较大的F在断开F―C(8)键时带走了成键的2个电子，进而进攻Si正离子.在F-Si键形成的同时，迫使Si―N键发生断裂，成键的一对电子全部转移到N原子上.这使得C(8)带1个单位正电荷，N带1个单位负电荷.而N上的一对电子转移使得氮氧之间形成1个π键，促使O―C(6)之间的1个键断裂，成键的一对电子转移到O和C(8)之间使其成键，所以在产物Ⅳ中存在1个三元环.其反应历程见图4.

图4 MSTFA骨架重排反应历程Fig.4 Reaction processof MSTFA skeleton rearrangement.

2.2 电荷中心诱导的i断裂对MSTFA电荷中心诱导的i断裂的反应产物Ⅵ和反应产物Ⅶ进行结构优化，得到的几何构型见图2.从分子结构和电荷分析得到电荷中心和游离基中心都被定域在N原子上.除了发生游离基中心诱导的α断裂外，也可发生由电荷中心诱导的i断裂；而与电荷中心相连的N―Si键的一对成键电子全部被正电荷吸引，促使单键发生断裂，电荷发生转移，从而反应生成1个偶电子离子和1个自由基.其生成的偶电子离子为三甲基硅正离子，在MSTFA的质谱图中对应m/z73的离子峰.产物Ⅵ经结构优化后，N―C(2)键的键长为0.1 43 49 nm，N―C(6)键的键长为0.1 36 64 nm，推测应都为单键.而产物Ⅵ不带电荷，且自旋多重度为2，则可以初步推断出游离基中心定域在N上.对产物Ⅵ进行NBO布局分析，可以得到N原子价电层上存在3个未成键电子，α自旋轨道上存在1个单电子，来自于p轨道.还有一对孤对电子，分别存在于α自旋轨道和β自旋轨道上，来自于杂化轨道，并且最终得到的自然电荷分布及成键性质可见支撑信息中表5（见网站http://www.yndxxb.ynu.edu.cn）.

2.3 碎片离子的丰度

2.3.1 产物稳定性对丰度的影响王毅等[13]通过对N-甲基-N-（三甲基硅烷）三氟乙酰胺及N-（三甲基硅烷）三氟乙酰胺的质谱图解析，发现重排反应产生的m/z77碎片离子峰的丰度均很高，推断α断裂后重排反应具有很强的竞争力，且2个质谱图中i断裂产生的m/z73碎片峰的丰度差异很大，但原文并未解释说明.因此，我们将从能量的角度来预测离子的丰度，对影响质谱图丰度的因素进行系统探究.因为，离子碎裂反应所产生的产物（包括产生的中性游离基，离子，中性分子）越稳定，反应就越容易进行[18,36-37].我们利用Gaussian09进行振动分析，得到的各个驻点能量相关数据示于表1.

2.3.2 电荷分布对丰度的影响除了产物的稳定性，分子的电荷分布也能决定反应的方向[13].α断裂是由游离基中心诱导的键断裂，而i断裂是电荷中心诱导的键断裂.由于MSTFA及其衍生物，发生α断裂均产生甲基自由基，发生i断裂均产生氟代二甲基硅正离子.所以，我们推测决定反应竞争能力的是电荷中心和游离基中心定域的杂原子（O/N）.因为杂原子的电荷数越大，就定域在杂原子上的游离基越不活泼，越不利于稳定杂原子上的正电荷，i断裂反应就越有优势.然而，化学环境不同会造成杂原子所带电荷数不同.因此，通过对N-(三甲基硅烷)三氟乙酰胺分子离子的NBO布局分析获得的自然电荷分布如表2所示.

表1 各驻点能量相关数据Tab.1 Energy related data of each stationary point

从表2的自然电荷分布可知，MSTFA分子离子中N所带电荷数为-0.439 33，N-（三甲基硅烷）三氟乙酰胺分子离子中N所带电荷数为-0.87994.由此我们推论，MSTFA质谱图中m/z73碎片峰的丰度相比于N-（三甲基硅烷）三氟乙酰胺应更大，这与王毅等[12]得到的质谱图分析一致.然而，以上例子不足以说明推论的正确性.所以，我们通过对由气相色谱-质谱法得到的MSTFA衍生化产物2-乙基-2-氟丁酸（化合物a）、2-氟-2-甲基丙酸（化合物b）、三氟乙酸（化合物c）相对应的质谱图依次解析，可以推论化合物分子离子中电荷中心定域的杂原子O的电荷数大小应是 c＜a＜b.因此，我们对化合物a、b、c的分子离子进行结构优化、振动分析，并且使用NBO6.0软件进行布局分析，将得到的电荷分布结果示于表3、表4、表5.从NBO布局分析结果中，可以得到化合物a分子离子中电荷中心定域的杂原子O所带电荷数为-0.70254；化合物b分子离子中O的电荷数为-0.693 28；化合物c分子离子中O的电荷数为-0.87356.因此，我们所得到的结果与猜想相同，可以证明推论的正确性.

表2 N-（三甲基硅烷）三氟乙酰胺分子离子的自然电荷分布Tab.2 Natural charge distribution of N-(trimethylsilane)trifluoroacetamide molecular ions

3 结论

本文通过在质谱图解析的基础上，采用DFT方法，对MSTFA及其含氟衍生物在质谱中裂解反应机理进行了深入的研究.分别对各驻点进行结构优化、振动分析和能量的计算，以及使用NBO6.0，对各驻点进行了布局分析.最终发现，由于分子离子的电荷中心及游离基中心均定域在与Si原子相连的杂原子N(O)上，且杂原子的α自旋轨道上存在1个单电子，所以在游离基中心诱导下分子离子会发生α断裂，在Si和N(O)上形成1个π键.而且有正电荷转移到Si上，形成的产物存在共振现象.因此，α断裂后会发生骨架重排反应，形成偶电子离子氟代二甲基硅正离子（m/z77）和1个中性分子.然而，中性分子中N原子和相邻C之间生成1个σ键和1个π键，且分子中存在1个三元环.分子离子生成后，除了发生α断裂以外也可发生由电荷中心诱导的i断裂，生成偶电子离子三甲基硅正离子（m/z73）和1个自由基，且自由基中杂原子N(O)的价电层上存在3个未成键电子.因此，MSTFA及其含F衍生物的α裂解和i裂解存在竞争关系.而且由于电荷中心及游离基中心均定域在与Si相连的杂原子N(O)上，所以杂原子的电荷数越大，定域在杂原子上的游离基越不活泼，越不利于稳定杂原子上的正电荷，i断裂反应就越有优势，从而质谱图中m/z73碎片峰的丰度就越大.