应用密度泛函理论研究舒坦电喷雾质谱行为

张宏森,　魏立国,　宋微娜,　张　钢

(1.黑龙江科技大学 现代分析测试研究中心, 哈尔滨 150022;2.哈尔滨工程大学 材料科学与化学工程学院, 哈尔滨 150001;3.吉林大学理论化学研究所 理论化学计算国家重点实验室, 长春 130023)



应用密度泛函理论研究舒坦电喷雾质谱行为

张宏森1,2,魏立国1,宋微娜1,张钢3

(1.黑龙江科技大学 现代分析测试研究中心, 哈尔滨 150022;2.哈尔滨工程大学 材料科学与化学工程学院, 哈尔滨 150001;3.吉林大学理论化学研究所 理论化学计算国家重点实验室, 长春 130023)

为准确认识质谱数据所反映的化合物质谱行为和结构特点,以电喷雾质谱检测结果为依据,应用密度泛函理论计算方法,研究舒巴坦的离子化方式、裂解方式和裂解机理。结果表明:舒巴坦与质子和钠离子结合离子化方式分别与其电子排布和分子结构特点有关;在负离子检测模式下,羧基与磺酰基间相互影响,对维持五元环的稳定起到了重要的作用;四元环和五元环在正电荷体系中比负电荷更稳定。该研究为质谱的理论研究和舒巴坦的分析检测提供了理论参考。

舒巴坦; 密度泛函理论; 电喷雾质谱行为; 离子化方式

0　引　言

质谱因其灵敏度高和分析速度快的特点,已经成为定性和定量分析的重要工具。然而,如何从复杂的质量数据中分析化合物质谱行为、结构特点及构效关系,仍是当今分析测试人员必须面对的巨大挑战。伴随量子化学理论快速发展,质谱实验检测结果与密度泛函理论计算相结合的分析方法已经被应用在质谱研究领域[1-2]。该方法可从分子结构层面准确地研究化合物的质谱行为方式,对化合物的分析测试和构效关系研究都有重要意义。

舒巴坦是β-内酰胺酶抑制剂,对青霉素酶和头孢菌素酶有较强的不可逆的抑制作用,与头孢菌素和青霉素联合使用可以明显提高这些抗生素的药效,目前,舒巴坦与抗生素组成的复方药物被广泛应用于临床。质谱检测已经成为研究该类复方药物成分、药物代谢、药理活性的主要分析方法,开展舒巴坦的质谱研究具有重要的临床应用价值[3-4]。因此,笔者应用密度泛函理论探讨了舒巴坦的电喷雾质谱行为。

1　实验与计算方法

1.1仪器与试剂

6310液相色谱-离子阱质谱联用仪(美国Agilent公司)。

舒巴坦注射用无菌针剂,经制备液相色谱分离纯化,经过IR、NMR证实;甲醇为农残级,水为高纯水。

1.2质谱检测

离子源:电喷雾离子源;干燥气温度:325 ℃;雾化器压力:0.21 MPa;干燥气流量:8.50 L/min;碰撞气:氦气;加热气:氮气。

1.3计算方法

采用杂化密度泛函理论(B3LYP)方法,结合6-31G基组,优化舒巴坦分子及相应分子离子和碎片离子结构,在同样理论级别下进行频率计算[5]。应用IRC理论分析了该反应沿最小能量途径(MEP)上相互作用分子间化学键的变化。文中所有计算均使用Gaussian 03程序完成[6]。

2　结果与讨论

2.1离子化

众所周知,质谱只能检测带有电核的离子,因此,实现待测化合物离子化是质谱分析的前提。研究表明:不同的离子化方式及不同的离子化位点对化合物的结构和性质产生很大的影响[7],因此确定分子离子化后的结构是研究质谱行为和裂解方式的基础。

图1和2分别为正离子和负离子方式检测谱图。在正离子检测模式下离子化的方式,通常是使分子与质子、钠离子、钾离子相结合带有正电荷,通常其质核比数值分别比分子量大1、23和39。对图1分析可知,m/z234是[M+H]+峰,m/z256是[M+Na]+峰,m/z278是[M-H+2Na]+峰。在负离子检测模式下离子化的方式,分子失去一个质子,图2中m/z232是[M-H]-峰。

图1　舒巴坦电喷雾质谱正谱图

图2　舒巴坦电喷雾质谱负谱图

2.1.1[M+H]+离子化

理论上,分子中每个外层带有孤对电子的杂原子都可能与质子结合,生成分子离子[M+H]+,因此,即使在同一个检测条件下,生成[M+H]+可能包含多种结构,这已被前期实验证实[8]。

研究表明[9-10]:福井函数和二元描述符是计算化合物最有利的离子化位点的有效方法。亲电福井函数f-(r)=ρ(N)-ρ(N-1),亲核福井函数f+(r)=ρ(N+1)-ρ(N), 二元描述符近似为f2(r)=f+(r)-f-(r),其中ρ(N)、ρ(N+1)和ρ(N-1)分别是分子为中性、阴离子和阳离子时的电子密度。f-(r)值越大表明该位点越容易成为离子化位点。f2(r)>0的部位是化学反应的亲电活性部位,f2(r)<0的部位是化学反应的亲核活性部位。

表1列出了理论计算的舒巴坦分子中主要原子福井函数、二元描述符值。S6原子的f-(r)最小,f2(r)>0表明该原子最难发生亲核反应。相反,O23原子的f-(r)最大,f2(r)<0说明O23是质子离子化最有利的位点。N3、O9和O10都可能是质子进攻的位点。对可能生成的[M+H]+进行结构优化,优化后的结构如图3所示(图中标出了质子化的氢原子),[M+H]+能量E列于表1中。结果表明:4种离子化方式生成热力学稳定的[M+H]+,N3、O9和O10结合质子后的结构尽管相应的结构参数已经发生了明显的变化,但基本保留了五元环的基本结构(图3a、b和d)。然而,O23结合质子后五元环已经开环(图3c),其[M+H]+能量明显降低。这充分说明离子化对化合物的结构会产生重要的影响,也会影响化合物的质谱行为。

表1　舒巴坦分子主要原子福井函数、二元描述符和分子离子能量

图3　优化后的舒巴坦[M+H]+结构

2.1.2[M+Na]+和[M-H+2Na]+离子化

由于钠离子半径较大,在离子化过程中,空间位阻作用更为明显。对舒巴坦与钠离子不同的初始结构进行结构优化,得到如图4a和b所示的2种稳定结构,钠离子与2个杂原子相互作用,说明[M+Na]+不但要求化合物中含有相应的杂原子提供孤对电子,而且杂原子应具有特定的排列方式。图4c表明:舒巴坦分子中含有羧基和磺酰基都可以与钠离子相结合,生成[M-H+2Na]+峰。

图4　舒巴坦优化后的离子结构

2.1.3[M-H]-离子化

负谱检测已经成为化合物质谱检测的重要方法,尤其在复杂体系中,对具有特定结构的化合物分析,负谱检测的优势更为明显。通过对比图1和2可以发现负谱更为“干净”,这对定量分析尤为重要。其根本原因在于:在正离子检测模式下,只要化合物中含有可以与质子、钠离子、钾离子等阳离子相结合的位点,理论上就可以实现离子化。绝大多数含有O、N元素的有机化合物都可以满足正谱检测的离子化要求,因此检测的选择性较差。而负谱检测通常是使化合物失去一个质子,形成带有负电荷的离子。通常情况下,在有机化合物中绝大多数氢原子以C—H形式存在,化合键为典型的共价键,质子难以解离。只有在羧基、羟基等特定官能团中的质子才易于解离,具有这种结构的化合物才能实现在负离子模式下的离子化,满足质谱检测要求,所以在复杂混合物分析中负谱检测具有较好的选择性。舒巴坦分子中含有羧基,由于羧基中氧原子对O—H键中的共用电子对吸引作用明显强于氢原子,因此,质子易于离去。舒巴坦分子中其他氢原子与碳原子形成典型的共价键,不易解离。因此[M-H]-仅有一种结构。

2.2裂解方式

2.2.1CO2解离对化合物结构的影响

在负谱中,由分子离子(m/z232)裂解为碎片离子(m/z188)过程中质量数减少44,表明在这个过程中失去了一个CO2。为进一步研究CO2离去对分子结构的影响,对该过程进行理论计算[11],舒巴坦离子解离CO2机理如图5所示。通过对过渡态的计算,可以清楚地发现随着CO2的离去,在C5—C7键断裂的同时,C11—S6键开裂,五元环开环。

图5　舒巴坦裂解反应势能图

在正谱中除了3个分子离子峰外,丰度较高的两个碎片离子峰(m/z212和190)分别是分子离子峰(m/z256和234)解离CO2后所形成的碎片离子峰。在正离子模式下,羧基中的质子进攻C7,导致CO2离去。对于质子与N3、O9和O10,及钠离子磺酰基结合后生成的分子离子CO2解离后的结构优化,结果表明:五元环并未开环。

此外,单纯从质核比的角度,质谱峰m/z234既可能是[M+H]+峰,也可能是m/z278分子离子峰失去CO2。然而,通过对m/z278化学结构分析,不难看出当分子离子脱去CO2,意味着分子离子失去2个氧原子,其将很难继续保留2个钠离子结构。因此,质谱峰m/z234只可能为[M+H]+峰。

2.2.2m/z232→140裂解过程

在负谱中m/z232→140裂解过程如图6所示。由于羧基中的质子离去,与C5相连的氢原子活性增强,该质子进攻亲核性较强的O23, 导致S6—C11键断裂,五元环开环, 同时C5—C11形成双键。进而四元环中发生Diels-Alder逆反应,四元环开环。研究表明,β-内酰胺化合物中四元环通常有多种断裂方式,但该化合物只有一种开环方式。这主要因为舒巴坦与青霉素和头孢菌素类化合物相比,C1原子上并未连接相应的官能团。青霉素和头孢菌素类化合物C1原子上连接结构较大的官能团,导致与四元环相连的各种官能团对四元环存在多个方向的作用力。而五元环开环后的舒巴坦离子的四元环受力主要来自上下两个方向,因此，四元环开环方式较为单一。

图6　舒巴坦可能的裂解机理

3　结　论

(1)舒巴坦在正离子检测条件下,[M-H+2Na]+、[M+Na]+和[M+H]+三种离子化方式存在多种结构。[M+H]+离子化方式主要受到化合物的电子排布影响,与钠离子结合的离子化方式主要与分子结构特点有关。负离子检测条件下,[M-H]-仅有一种结构,具有较好的选择性,在实际检测中,可以应用负离子检测,降低背景干扰。

(2)正离子和负离子检测中,化合物均易失去CO2, 这可成为该化合物质谱的特征裂解规律。在负离子检测条件下,羧基对维持五元环的稳定起重要作用,CO2解离五元环开环。在正离子检测条件下,CO2对于五元环结构的影响并不大。这表明五元环在体系带有正电荷条件下比负电荷条件下更稳定。

(3)在正谱中,并没有检测到四元环开环;在负谱中,检测到四元环沿横向开环裂解碎片离子。这表明四元环在体系带有负电荷条件下更易开环。

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(编辑王冬)

Study on ESI-MS behavior of sulbactam by density function theory

ZHANGHongsen1,2,WEILiguo1,SONGWeina1,ZHANGGang3

(1.Modern Analysis & Research Center, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China; 2.College of Materials Science & Chemical Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China; 3.State Key Laboratory of Theoretical & Computational Chemistry, Institute of Theoretical Chemistry, Jilin University, Changchun 130023, China)

Aimed at an accurate understanding of compound mass behavior and the structural characteristics reflected by spectrum data, this paper describes an investigation into ionization patterns, fragmentation patterns and fragmentation mechanism of sulbactam by density function theory. The results suggest the correlation between [M+H]+and [M+Na]+on the one hand and electron configuration and molecular structural characteristics on the other hand; the significance of carboxyl group and sulfonyl group to maintaining the stability of five-membered ring in negative ion mode; and the greater stability of four-membered ring and five-membered ring in positively ion mode than in negatively ion mode. The investigation provides theoretical reference for theoretical study of mass spectra and experiment detection of sulbactam.

sulbactam; density function theory; electro spray ionization-mass spectroscopy behavior; ionization

2013-04-09

黑龙江省教育厅科学技术研究项目(12511472)

张宏森(1974-),男,黑龙江省齐齐哈尔人,高级工程师,博士研究生,研究方向:仪器分析检测和有机物理化学,E-mail:zhanghongsen666@sina.com。

10.3969/j.issn.1671-0118.2013.03.007

O641;O657

1671-0118(2013)03-0246-05

A