离子化方式对于头孢曲松质谱裂解方式的影响

白青子,王 威,张宏森

(1.黑龙江科技大学 环境与化工学院，哈尔滨 150022; 2.哈药集团制药总厂，哈尔滨 150080)

离子化方式对于头孢曲松质谱裂解方式的影响

白青子1,王 威2,张宏森1

(1.黑龙江科技大学 环境与化工学院，哈尔滨 150022; 2.哈药集团制药总厂，哈尔滨 150080)

离子化方式不但是头孢曲松质谱检测的前提条件，而且对于头孢曲松质谱裂解方式具有重要的影响。研究表明：在正离子检测模式下，存在C—S键断裂、四元环开环应和四元环脱去羰基三种裂解方式，离子化方式对于碎片峰的种类和丰度都有重要的影响。通过对于不同离子化方式的研究证实C—S键断裂是最主要的裂解方式，其碎片离子峰(m/z:396)可作为头孢曲松的特征离子峰。在负离子检测模式下，仅有一种羧基脱去CO2的裂解方式，与正离子模式下截然不同。

头孢曲松；裂解方式；离子化方式

0 引 言

头孢曲松是第三代半合成头孢菌素，是典型的β-内酰胺类抗生素。因其具有长效和广谱的特点，作为抗感染药物被广泛应用于临床[1-2]。伴随着质谱检测技术的快速发展，质谱分析方法已经被广泛应用于头孢曲松药物代谢物、构效关系、稳定性以及质量控制等研究领域[3-4]。然而目前对于头孢曲松质谱裂解方式的研究，尤其是离子化方式对于裂解方式研究相对较少。

众所周知，质谱是对于离子的检测，分子离子裂解后会生成两个以上的碎片，而这些碎片中通常只有一个碎片带有电荷，只有这个带有电荷的碎片才能被检测到。离子化方式直接决定了分子所带电荷的种类和性质，进而影响到质谱的检测结果。因此，离子化不但是质谱检测的前提条件，而且对于研究头孢曲松在不同环境下的化学稳定性具有重要的指导意义。前期研究结果表明[5-6]：不同的离子化方式对于化合物的裂解方式会产生不同的影响，而且离子化方式不但影响生成离子峰的种类，还影响离子峰的丰度。头孢曲松因其分子结构中含有多个易于质子相结合的N原子，即在正离子检测模式下可发生多种离子化方式。羧基的存在可以发生在负离子检测模式下的离子化反应。头孢曲松多种离子化方式的存在增加了质谱解析的难度，同时也提供了更多的反映头孢曲松结构和性质的谱图信息。

本文通过对于正离子和负离子检测模式下，相应谱图的解析，研究了不同离子化方式对于头孢曲松裂解生成碎片的种类和丰度的影响，为头孢曲松质谱分析和构效关系研究奠定了实验和理论基础。

1 实 验

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)；头孢曲松(哈药集团制药总厂)；甲醇(美国TEDIA农残纯)；高纯水(美国honeywell)。

1.2 实验条件

色谱柱：Agilent Zorbax(30×2.1 mm, SB-C18, 3.5 μm)；流动相:甲醇∶水为70∶30(V/V);流速：0.3 mL /min;柱温为35 ℃;进样量3 μL;柱温40 ℃。离子源：ESI；Dry Temp:325 ℃；Nebulizer 30.10 psi；Dry Gas:8.98 L/min;碰撞气：氦气;加热气：氮气。

1.3 样品制备

通过液相色谱对于样品进行分离，一级质谱检测[M+H]+为m/e：555和[M+H]+为m/e：553，确认头孢曲松分子离子峰。

2 结 果

2.1 头孢曲松特征分析

头孢曲松分子结构见图1，其化学结构是由 7-氨基头孢烷酸(7-ACA)母核、硫代三嗪杂环和氨噻肟侧链构成。其头孢曲松分子中7-ACA母核和氨噻肟侧链连接后形成了较大共轭体系，该部分结构较为稳定。7-ACA母核与硫代三嗪杂环中两个部位化学结构并不稳定：由于C原子和S原子在原子半径、电负性等性质方面存在较大差异，所以C—S键易于断裂；另外由于四元环张力的作用，四元环易于开环[7]。从头孢曲松结构特点，不难看出C—S键断裂和四元环开环应是质谱裂解的主要方式。

头孢曲松分子中含有8个N原子，理论上，在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。在负离子检测模式下，分子中只有羧基中的H+易于失去生成带有负电荷的分子离子，因此[M-H]-结构只有一种[8]。

图1 头孢曲松结构式Fig.1 Molecular structure of Ceftriaxone

图2 头孢曲松分子离子[M+H]+电喷雾串联二级质谱图Fig.2 MS2 spectra of ions of Ceftriaxone [M+H]+

2.2 m/z:396裂解方式解析

在正离子检测模式下(图2)，质核比为396的离子峰丰度最高，这表明在整个分子离子化后母核与硫代三嗪杂环相连接的C—S键断裂是主要的裂解方式，这与化学结构分析结果一致。质谱检测的结果除了与其相应的化学键性质有关外，还与化学键的位置有关。母核与硫代三嗪杂环相连接的C—S键断开后分子离子裂解为两个独立的碎片，m/z:396碎片易于检测。而六元环中的C—S键处于六元环中，即使其中一个化学键断裂也不会分解成为两个独立的碎片，质谱检测中也不会出现相应的离子峰。m/z:396的碎片峰丰度最大，由于该化学键易于断裂及分子离子化过程中质子与1～5号N原子中任何一个N原子结合，都可以生成m/z:396的离子峰。相对于其它碎片其可与质子结合的位点最多，因此该离子峰丰度最高。裂解方式如下：

2.3 m/z:241裂解方式解析

m/z:241的离子峰说明发生了代尔斯-奥尔德(Diels-Alder)反应逆反应，β-内酰胺四元环开环，这是β-内酰胺类化合物常见的断裂方式[9-10]。开环后生成的两个碎片的质量数分别为240和314，如果质子与1～4号N原子相结合检测到的碎片离子峰的核质比为241，与5～8号N原子相结合检测到的碎片离子峰的核质比为315。然而图2中并没有发现m/z:315的离子峰。这说明m/z:315的碎片离子不可能稳定存在。因此，在四元环开环的同时必定会发生C—S键容易断裂。

m/z:396的离子峰丰度最大，表明在C—S键断裂而四元环可以稳定存在；而m/z:315的离子峰并不存在，表明四元环开环的同时必定会发生C—S键断裂。因此四元环稳定性高于C—S键。需要强调的是尽管m/z:396的离子峰丰度大于m/z:241的离子峰，但不能简单地据此推断四元环稳定性高于C—S键。因为离子峰丰度是对于相应离子数量的反映， m/z:396离子中可与质子结合的位点多于m/z:241离子，即使发生C—S键断裂和四元环开环的m/z:396分子离子数量相同，C—S键断裂生成的离子碎片(m/z:396)的丰度也会大于四元环开环化生成的离子碎片(m/z:241)的丰度。裂解方式如下：

2.4 m/z:324和m/z:241裂解方式解析

脱去CO2是头孢、青霉素类化合物通常的裂解方式，裂解的机理为羧基中的质子进攻羧基相连六元环中的碳原子，脱去CO2，而四元环脱去羰基在头孢氨苄、头孢拉定、阿莫西林等母核没有与其它官能团通过C—S键相连接的孢、青霉素类化合物的质谱检测中被发现，表明C—S键对于母核的结构和性质产生影响。质子与1～5号N原子相结合会生成m/z:324离子峰，质子与1号N原子相结合才会生成m/z:277离子峰，相对而言m/z:277碎片离子峰丰度较小。裂解方式如下：

2.5 m/z:509裂解方式解析

负离子模式下，仅能检测到脱去CO2，并没有发现其它裂解方式(图3)。前期研究中，笔者通过量子化学理论计算发现，当在负离子模式下，脱去CO2的同时六元环中的S原子与四元环相连的化学键断裂，降低了四元环的张力，导致四元环不易断裂[8]。检测中没有发现正离子模式下最主要的C—S键断裂后的碎片离子。这表明在不同离子模式下,分子离子中C—S键的质谱性质发生了改变，进而表现出与正离子模式下完全不同的裂解方式。

图3 头孢曲松分子离子[M-H]-电喷雾串联二级质谱图Fig.3 MS2 spectra of ions of Ceftriaxone [M-H]-

3 结 论

在正离子检测模式下，C—S键断裂和四元环开环应是质谱裂解的主要方式，四元环稳定性高于C—S键。由于C—S键断易于断裂，而且相对于其它碎片其可与质子结合的位点最多，因此m/z:396的碎片峰丰度最大，可以将该离子峰作为头孢曲松的特征离子峰。四元环除通常开环裂解外，还会脱去羰基。

在负离子检测模式下，仅脱去CO2，表现出了与正离子模式下完全不同的裂解方式。通过与分子结构分析相比，中性结构性质与在正离子检测模式下的裂解方式较为接近，而与负离子的裂解方式相差甚远，这说明羧酸中的质子对于头孢曲松的结构和性质会产生重要的影响。

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Effects of ionization pattern on fragmentation pathways of ceftriaxone

BAI Qing-Zi1,WANG Wei2,ZHANG Hong-Sen1

(1.School of Environment and Chemical Engineering, Heilongjiang University of Science and Technology, Harbin 150022,China; 2.Harbin Pharmaceutical Group Pharmaceutical General Factory Harbin 150080, China)

Ionization pattern is not only prerequisites of ceftriaxone in mass spectrometry, but also have an important influence on fragmentation pathways of ceftriaxone. The results indicate that ceftriaxone has three different fragmentation pathways of concluding the C—S Bond cleavage, β-lactam ring opening and carbonyl dissociation from β-lactam ring in cation detection mode, whose abundance and species of daughter ion peaks are influenced by the ionization pattern. C—S Bond cleavage is the main way of cracking, whose daughter ion peak (m/z:396) is characteristic ion peaks. In anion detection mode, ceftriaxone only one fragmentation pathway is that CO2dissociation from carboxyl.

Ceftriaxone; fragmentation pathways; ionization pattern

10.13524/j.2095-008x.2014.01.008

2014-01-16

黑龙江省自然科学基金项目(E201329)，黑龙江省高等教育学会 “十二五”教育科学规划项目(HGJXH C110919)

白青子( 1965- ) , 女, 黑龙江桦川人, 教授, 研究方向：煤利用化学、物理有机化学，E-mail: 15604515455@163.com。

R917

A

2095-008X(2014)01-0036-05