基于密度泛函理论的全氟辛烷磺酸质谱裂解规律研究

王天润， 黎 梅， 翁 瑞， 杜沈旋

(1.河北师范大学 化学与材料科学学院，河北 石家庄 050024；2.中国农业科学院 农业质量标准与检测技术研究所，北京 100081)

有机质谱技术作为一种化合物结构鉴定技术，在药物检测、环境分析和生物代谢等多方面发挥着不可或缺的作用.化合物分子在进入质谱后，通过离子源离子化，使分子成为带电离子，随后发生裂解，这种裂解反应本质上为单分子离子的分解反应.大多数分子的裂解在质谱的质量分析器中进行，质谱的质量分析器具有高真空度的特点，所以分子的裂解过程及碎片离子的产生可以通过量子化学进行计算研究和阐明[1].目前，已有相关学者借助量子化学计算方法研究和阐明化合物的质谱特征和裂解机理[2-7].Ouyang等[8]根据密度泛函理论，确定简单吲哚类生物碱初始电离位点，并对其EI源质谱的特征裂解规律进行了预测.崔培珅等[9]使用电喷雾离子阱质谱对大黄酸进行分析，并通过量子化学计算方法对质谱离子的几何参数、键断裂能、电荷变化、自旋密度以及前线分子轨道进行分析，较为系统地解释了大黄酸分子在电喷雾离子阱质谱中的裂解行为.任昀等[10]运用量子化学计算方法，计算出三聚氰胺在电喷雾质谱中准分子的产生和裂解规律等质谱学特征，经过实验验证，证明了质谱裂解过程主要受碎片离子Mulliken电荷分布及其化学键相互作用强弱的影响，为进一步研究三聚氰胺衍生化合物的质谱裂解途径提供理论依据.

全氟辛烷磺酸(PFOS)因其极低的表面张力以及疏水、疏油的独特物理性质，曾在民用和工业产品中得到应用.然而，鉴于此类化合物具有毒性、环境持久性、生物蓄积性和长距离迁移等特性，联合国环境规划署于2009年将全氟辛烷磺酸列为“斯德哥尔摩公约”中新型持久性有机污染物.尽管如此，PFOS在全球范围内的生产仍在继续，尤其在中国[11].研究表明，PFOS在中国环境中的残留问题日益严重，其残留物将经由呼吸和饮食进入人体，危害人体健康[12].PFOS的检测主要采用高效液相色谱-串联质谱法(HPLC-MS/MS)[13-14].HPLC-MS/MS具有灵敏度高、抗干扰能力强的特点，国家食品安全标准已将其作为动物食品的主要检测方法[15]，但仍未见从分子水平上研究PFOS裂解过程机理的理论报道.

本文中，笔者采用量子化学方法对PFOS在电喷雾源质谱中的质谱碎片结构及碎裂过程进行研究，探讨可能存在的碎裂机理，进而为研究其他全氟化合物的裂解规律和利用质谱筛查PFOS的结构类似物提供理论依据.

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

Thermo Fisher Endura质谱仪(配有ESI源、三重四极杆质量分析器和TraceFinder数据处理软件等,美国 Thermo Fisher公司)；流动注射泵(美国Thermo Fisher公司).

全氟辛烷磺酸标准品(1.0 g/L，溶于甲醇，天津阿尔塔科技有限公司)；甲醇(色谱纯，美国Thermo Fisher公司).

1.2 质谱条件

采用ESI负离子模式检测，喷雾电压为2 500 kV,离子传输管温度为300 ℃，鞘气和辅助气为氦气，鞘流速为4.09 L/min,辅助气流速为7.97 L/min,氦气为碰撞气进行诱导裂解，压力为0.2 Pa,扫描范围为m/z50～600,流动注射泵直接进样，流速为10 μL/min.

1.3 量子化学计算方法

基于密度泛函理论，采用量子化学从头算方法，在B3LYP/6-31G(d,p)的水平上，对所有分子及其碎片离子进行初始几何构型的全自由度优化并进行频率计算，确认优化结果无虚频后，即可认为分子及其碎片离子达到稳定构型.对分子优化后的稳定结构使用自然布居分析(natural population analysis,NPA)进行电荷计算，分析分子中原子电荷的分布.采用Lu等[16]开发的Multiwfn的Mayer键级进行键级的计算，用于考察分子在裂解过程中化学键稳定性的变化.各化学键的键断裂能(EBD)由式(1)计算得到：

EBD=EA+EB-EAB.

(1)

其中：EAB为母体碎片离子总能量；EA为脱去取代基后的能量；EB为取代基能量.

2 结果与讨论

2.1 PFOS质谱数据初步分析

PFOS的分子结构及其位次编号如图1所示，可以看出，分子中只存在1个H原子，所以负离子模式下，失去氢离子的位点只有与O10连接的氢原子.PFOS的二级质谱如图2所示，在所有的子离子中，m/z230，280,330具有较高的响应，其相差的质荷比均为50，m/z119和m/z169相差的质荷比也为50，而—CF2—的相对分子质量为50，这一现象可能是由子离子带有不同数量的—CF2—所导致.基于以上分析，对PFOS的裂解过程做出初步假设，如图3所示.由于PFOS为链状结构，并且大部分C—F键具有较高的键能，不易断裂.所以PFOS在质谱碎裂的过程中，产生的碎片离子主要是由于主链化学键的断裂.对于m/z99的碎片离子，通过PFOS准分子离子的直接断裂不能产生m/z99的碎片离子，所以m/z99的离子可能是经历了重排异构过程.为了从理论上证明裂解途径的可能性，从NPA电荷、电子密度差、键长和Mayer键级等多方面对裂解过程的假设进行分析.

图1 PFOS的分子结构Fig.1 Molecular Structure of PFOS

图2 PFOS的二级质谱Fig.2 MS2 Spectra of PFOS

图3 PFOS在串联质谱中裂解过程的假设Fig.3 Hypothesis of PFOS Pyrolysis Process in Tandem Mass Spectrometry

2.2 准分子离子NPA电荷分析

对构建的PFOS准分子离子进行几何优化，确认分子无虚频后，认为分子达到几何优化稳定点，此时的结构即为稳定结构.为了确认分子在电离后电荷转移的情况，对PFOS分子及其准分子离子进行了NPA电荷的计算，其前后NPA电荷及其变化如表1所示，其中M代表未离子化的PFOS分子，[M-H]-代表PFOS的准分子离子.

由表1可以看出，在PFOS形成[M-H]-的过程中，负电荷主要向与S9相连的3个氧原子转移，其中向O11转移的最多，其次为O10和O12，2个原子转移负电荷的数量基本相同.对于氟原子来说，与C8相连的2个氟原子及与C7相连的1个氟原子电荷变化最大，其中F28变化最大，其次为F29和F27.在主链上，C8和S9的NPA电荷变化最大，正电荷向S9转移，负电荷向C8转移，使C8和S9原子之间的NPA电荷增加，电子云向S9转移，使C8与S9之间的共价键稳定性降低，所以推测断裂容易发生在C8与S9之间.

表1 PFOS变为准分子离子的自然电荷变化Tab.1 The Change of Natural Charge from Molecular to Quasi-molecular Ion

2.3 电子密度差分析

为了进一步分析电荷分子变为准分子离子时对PFOS结构产生的影响，通过分子与准分子离子的电子密度差，可以更精确地分析电子密度在空间中的变化，电子密度差等值面见图4.其中，绿色和蓝色分别代表PFOS分子失去氢离子后电子密度增大和减小的部分.PFOS分子在变为准分子离子的过程中，电子密度变化的区域主要集中在氢离子发生解离的位点，对于碳原子组成的主链来说，呈现出靠近SO3-的一侧电子密度增大，背向SO3-的一侧电子密度减小，且变化的程度随着丢失氢离子位点的距离增大而减小.S9周围电子密度减小，C8周围电子密度增大，同时，C8与C7电子密度也发生了一定的变化，但是变化程度远小于C8和S9，这与NPA电荷的变化一致.

图4 PFOS变为准分子离子的电子密度差等值面Fig.4 The Isosurface Map of Electron Density Differences for PFOS Change to Quasi-molecular Ion

为了更直观地看出电子密度的变化情况，以C7,C8,S9为平面对其周围空间做剖面图，见图5.其中，蓝色虚线和红色实线分别代表形成准分子离子后电子密度减少和增加的区域.图5从平面上展示出形成准分子离子后电子密度变化的情况， C8与S9之间电子密度变化存在着一个截面，这反映出形成共价键的电子共享程度降低，使得它们之间形成的共价键被削弱，C8与S9之间的键长增大，键级减小.同时可以看出，相邻碳原子间的电子密度也发生了不同程度的变化，这意味着准分子离子在诱导碰撞裂解的过程中，C—C键也会在一定能量条件下发生裂解.

图5 PFOS变为准分子离子的电子密度差等值线Fig.5 The Contour Line of Electron Density Differences for PFOS Change to Quasi-molecular Ion

2.4 键长与Mayer键级变化

为了进一步预测 PFOS在质谱中化学键发生断裂的位置，对PFOS在形成准分子离子前后的键长和Mayer键级进行了计算.由表2可知，PFOS主链上键长和键级变化最大的是C7—C8和C8—S9，C7—C8键长减少了0.000 3 nm；C8—S9键长增加了0.000 3 nm，虽然二者键长变化一样，但是它们的键级变化不同，C7—C8之间的键级仅仅增加了0.016，但是C8—S9之间的键级减少了0.050，C8与S9之间共价键的稳定性显著降低，这与电子密度差分析得出的结果一致，推测在形成准分子后，由于氧原子的电负性比硫原子大，S9上的电子云向3个氧原子转移，使得C8—S9之间的电子密度降低，同时由于C8与S9的电负性差距较小，使得原本C8与S9之间的电子向C8与S9各自转移，C8与S9之间的共价键从而更容易发生断裂.所以，PFOS在形成准分子离子后，C8与S9之间可能发生均裂，形成SO3-基团，在质谱中检测到m/z80的碎片离子峰.对于碳链来说，通过键长和键级的变化可以看出，大部分C—C键的强度小幅降低，同时由于PFOS的化学结构为链状结构，这意味着碳主链在外界能量达到一定程度后，C—C键会发生断裂，从而产生相应的碎片离子峰.

表2 键长和Mayer键级变化Tab.2 The Change of Bond Length and Mayer Bond Order

2.5 键断裂能

根据键能理论，化学键的键能越大越难断裂，因此在质谱诱导碰撞裂解(collision-induced dissociation,CID)过程中，母离子形成后，产生碎片离子所需的键断裂能越小，断裂过程越容易发生，该碎片离子越容易被质谱表征出来[9].PFOS的CID-MS2裂解能计算结果见表3.

表3 PFOS CID-MS2裂解能Tab.3 Bond Dissociation Energy of PFOS in CID-MS2

由表3可以看出，产生SO3-的键断裂能最小，这意味着该化学键最易断裂，所以m/z80在二级质谱中是除母离子之外响应最高的峰，对于带有SO3-基团的碎片离子峰来说，产生CF2SO3-(m/z130)，C2F4SO3-(m/z180)，C3F6SO3-(m/z230)，C4F8SO3-(m/z280)和C5F10SO3-(m/z330)的键断裂能也处在较低的水平，在二级质谱中也具有一定的峰强度，其中C3F6SO3-(m/z230)和C4F8SO3-(m/z280)在二级质谱中响应较高.从总体趋势上看，带有SO3-基团的碎片离子，产生的碎片离子所需的键断裂能越小，碎片离子在质谱中的响应越高，这意味着对于带有同种负离子基团的碎片离子，可以根据产生不同碎片离子的键能判断其产生碎片离子峰的相对大小.值得注意的是，在C2—C3和C3—C4发生断裂时，产生碎片离子C2F5-(m/z119)和C3F7-(m/z169)，不含SO3-基团，但仍然带有1个负电荷，通过NPA电荷分析，可以看出C2的电荷比C3的少，推测在母离子的C2—C3共价键断裂时，电子被C2吸引，使共价键发生异裂，从而形成C2F5-(m/z119)负离子，同理，C3的电荷比C4的少，所以母离子C3—C4共价键断裂也会发生异裂，从而形成C3F7-(m/z169)负离子.同时,C2F5-(m/z119)和C3F7-(m/z169)的峰强度与 C2—C3和C3—C4的键断裂能也体现了一定关联， 由于C3—C4的键断裂能小于C2—C3的键断裂能，因此C3F7-(m/z169)的峰强度要大于C2F5-(m/z119)的峰强度.

2.6 m/z 99的碎片离子质谱解析

PFOS的链状结构决定了碎片离子大部分都由母离子直接裂解形成，但是m/z99的结构为FSO3-，由母离子直接裂解并不能形成此结构.由表2可知，PFOS在形成准分子离子过程中，C8,F28和F29的键长增加，键级减小，且变化程度较大，说明C8—F28和C8—F29的共价键稳定性降低，容易在CID作用下发生断裂，因此，推测FSO3-(m/z99)的氟原子可能是由与C8相连的F28和F29中的任意一个氟原子重排形成.为了进一步验证氟原子的重排反应是否可以发生，对其反应过程进行计算，并给出了重排裂解反应的相对吉布斯自由能(见图6)，其中TS1,TS2分别为F28,F29发生重排时的过渡态，括号内数字为相对吉布斯自由能(单位为kJ/mol).由图6可以看出，C8上的F28,F29经过一个三元环的过渡态转移到磺酸基的硫原子上，从而生成FSO3-(m/z99).F28,F29发生重排时的过渡态能量分别为264.97,267.90 kJ/mol，发生反应所需要跨越的能量壁垒较低，且2种反应途径能量相差不大，所以F28,F29均有可能发生重排.

图6 m/z 99碎片离子形成途径及相对吉布斯自由能变化Fig.6 The Formation Pathway of m/z 99 Fragment Ion and the Change of Relative Gibbs Free Energy

3 结 论

采用基于密度泛函理论的量子化学计算方法对PFOS的质谱裂解过程进行了理论分析，通过对分子结构的分析确定初始电离位点，分析了分子电离后NPA电荷的分布，并通过电子密度差、键能、Mayer键级和键解离能综合分析PFOS形成准分子离子后的裂解过程，结果表明，大部分的碎片离子都是由母离子主链在不同位置断裂形成的，除C2F5-(m/z119)和C3F7-(m/z169)外，其余碎片离子均带有磺酸基.同时，通过理论计算验证了FSO3-(m/z99)是通过氟原子重排形成的.通过研究PFOS的质谱裂解规律，可进一步为其他全氟化合物的质谱裂解规律提供理论依据，也可为研究其他化学物质的质谱裂解规律提供方法参考.