高分辨高能量碰撞解离质谱法研究3－苯硫基吲哚衍生物裂解反应机理

莫雅雯，蔡 雪，曹小吉，2，莫卫民

（1．浙江工业大学 化学工程学院，杭州310014； 2．浙江工业大学 分析测试中心，杭州310014）

吲哚及其衍生物具有抗病毒、抗氧化、抗增殖等作用，是常用的化学合成模板［1－6］，在杂环化学中占有非常重要的位置。结构表征和构效关系的研究是开发利用吲哚衍生物功能有机分子的重要环节。电喷雾电离（ESI）串联质谱技术是表征和研究吲哚衍生物结构性质的有效手段之一，已取得了一定的进展［7－12］。质子化离子（［M＋H］＋）是电喷雾电离中最常产生的一种偶电子离子，其在碰撞诱导解离（CID）模式下解离，一般遵循“偶电子离子规则”，产生偶电子碎片离子和中性丢失。近年来，质子化离子碰撞解离产生奇电子碎片离子和自由基丢失的裂解反应机理引起了人们的关注［13－15］。

本工作采用电喷雾电离－高能量碰撞诱导解离质谱技术（ESI－HCD－MS／MS），结合密度泛函理论（DFT）计算和 H／D交换试验，探讨了质子化3－苯硫基吲哚衍生物在HCD解离模式下解离产生特征的3－（取代苯基）－吲哚自由基阳离子（奇电子离子）、吲哚自由基阳离子（奇电子离子）以及3－硫代吲哚阳离子的反应机理。

1 试验部分

1．1 仪器与试剂

Thermo Fisher Q Exactive组合型四极杆 Orbitrap质谱仪（分辨率＞7 000，FWHM），配 H－ESI II源及Xcalibur 2．2数据处理系统。

邻氯苯硫基吲哚、对氟苯硫基吲哚、邻甲氧基苯硫基吲哚、对异丙基苯硫基吲哚、间氯苯硫基吲哚、苯硫基吲哚、间甲基苯硫基吲哚等7个3－苯硫基吲哚衍生物（纯度大于84%）；甲醇为色谱纯。

1．2 仪器工作条件

1）质谱条件 电喷雾离子源，正离子模式；以标准校正液（caffeine，MRFA and Ultramark 1621）对质谱分析器的质量轴进行校正；雾化气为氮气，流量3．0L·min－1；喷雾电压3．0kV；毛细管温度350℃；碰撞气为氮气，碰撞能量为27%，母离子的选择质量宽度为1．0m／z。

2）计算条件 所有的理论计算均是在Gaussian 03软件上完成的。应用DFT在B3LYP水平上，采用6－31G（d）杂化基组对化合物的结构进行模拟和优化。在结构优化过程中，忽略对称性限制。母离子、中间体和产物离子在结构优化中没有虚频产生，为真正的极小值；而过渡态结构优化完成时，有且仅有一个虚频，并且其具有恰当的振动矢量。所有的优化结构均在298．15K和1．01×105Pa条件下进行了振动频率分析，计算所得的能量为电子能和内能之和。

1．3 试验方法

称取适量样品，用甲醇溶解，配制成质量分数约为0．001%的溶液，过0．45μm滤膜，用注射泵输送至质谱仪中进行检测。

2 结果与讨论

2．1 质子化3－苯硫基吲哚衍生物离子的HCD－MS／MS分析

7个3－苯硫基吲哚衍生物在高分辨高能量碰撞解离质谱（HCD－MS／MS）下裂解产生的主要碎片离子见表1。

表1 3－苯硫基吲哚衍生物在高分辨HCD－MS／MS下产生的主要碎片离子数据Tab．1 High－resolution HCD－MS／MS data showing fragmentation of the 3－（phenylthio）－1 H－indoles

由表1可知：碎片离子的精确质量数的测量值与理论值的误差均在±4．0×10－6内，推测的碎片离子的元素组成结果准确可靠；7个3－苯硫基吲哚衍生物的质子化离子高能碰撞解离，裂解模式相同，各碎片离子的丰度随着取代基种类的不同而变化。

以3－苯硫基吲哚（化合物6）为例，其［M＋H］＋（m／z226．067 6）在 HCD解离模式下，中性丢失巯基自由基、苯和苯硫自由基分别产生3－苯基吲哚自由基阳离子（a，m／z193．088 6）、3－硫代吲哚阳离子（b，m／z148．021 5）和吲哚自由基阳离子（c，m／z117．057 5），见图1。

2．2 碎片离子a、b和c的产生机理

试验以3－苯硫基吲哚为模版化合物，采用DFT计算结合H／D交换试验详细探讨碎片离子a、b和c的形成机理。3－苯硫基吲哚的结构式及其质子化位点见图2。

图1 3－苯硫基吲哚［M＋H］＋的 HCD－MS／MS图Fig．1 HCD－MS／MS spectrum of［M＋H］＋of 3－（phenylthio）－1 H－indole

图2 3－苯硫基吲哚的结构式及其质子化位点Fig．2 Structural formula of 3－（phenylthio）－1 H－indole and its protonation sites

文献［16－19］研究表明，吲哚衍生物的热力学最稳定的质子化位点会受到吲哚环上取代基的影响。为了确定3－苯硫基吲哚的热力学最稳定的质子化位点，试验在B3LYP水平上应用6－31G（d）杂化基组对其可能的质子化位点进行了DFT模式计算，结果见表2。

表2 3－苯硫基吲哚不同质子化位点离子的相对能量Tab．2 Relative energies of the ions at different protonation sites of 3－（phenylthio）－1 H－indole

由表2可知：外加质子加合在3－苯硫基吲哚的C2原子上产生的质子化离子MH2的能量比加合在其N1、C3、C4、S以及C5原子上时产生质子化离子MH1、MH3、MH4、MH5以及 MH6的能量低23．4～86．0kJ·mol－1，表明C2原子是该化合物热力学最稳定的质子化位点。然而，当外加质子加合在该位点时，直接正电荷诱导解离并不能产生碎片离子a、b和c。

若要得到中性丢失巯基自由基生成碎片离子a，在C5－S化学键断裂前，苯环必须重排迁移到吲哚环上，见图3。

图3 推测的3－苯硫基吲哚质子化的裂解机理Fig．3 Proposed fragmentation mechanism of protonated 3－（phenylthio）－1 H－indole

经过四元环过渡态（TS－a1，191．5kJ·mol－1），苯环上的C6原子亲核进攻吲哚环上C3原子，随后C3－S化学键异裂，形成中间体 MH－a1，然后C2位上的 其 中 一 个 氢 通 过 1，5－质 子 迁 移 （TS－a2，131．4kJ·mol－1）转移至 S原子上形成中间体MH－a2，接 着 发 生 1，2－氢 负 离 子 迁 移 （TS－a3，157．1kJ·mol－1），均裂中性丢失 HS自由基，生成碎片离子a；当MH2的C2位上的氢直接发生1，4－质子迁移（TS2，194．3kJ·mol－1）转移到苯环 C5原子上，C5－S键电荷诱导异裂，中性丢失苯则生成b离子；当MH2的C2位上的氢发生1，2－氢负离子迁移（TS3，116．7kJ·mol－1）转移到 C3原子上，C3－S键均裂，中性丢失苯硫自由基，则生成碎片离子c。

3－苯硫基吲哚质子化离子的断裂势能曲线见图4。

图4 3－苯硫基吲哚质子化离子的断裂势能曲线Fig．4 Potential energy curve of fragmentation of protonated 3－（phenylthio）－1 H－indole

为了进一步验证图3所示的裂解机理，通过H／D交换试验，研究了活泼氢完全氘代的3－苯硫基吲哚的氘交换离子（［M－d1＋D］＋）的高分辨HCDMS／MS谱图，结果见表3。

表3 3－苯硫基吲哚的［M－d1＋D］＋的高分辨HCD－MS／MS数据Tab．3 High－resolution HCD－MS／MS data of［M－d1＋D］＋ of 3－（phenylthio）－1 H－indole

由表3可知：化合物6的［M－d1＋D］＋在HCD解离模式下，产生了两种a同位素离子，分别为含有一个氘原子的a－d1离子（m／z194．095 0）和含有两个氘原子的a－d2离子（m／z195．101 5），还产生了两种b同位素离子，分别为含有一个氘原子的b－d1离子（m／z149．027 8）和含有两个氘原子的bd2离子（m／z150．034 0）。表明吲哚环C2位上的氢参与了图3所示的1，5－质子迁移和1，4－质子迁移反应，与推测的机理相符。

本工作采用高分辨的ESI－HCD－MS／MS，结合DFT计算和H／D交换试验，对3－苯硫基吲哚衍生物质子化离子的裂解反应机理进行了系统研究。结果表明，该类化合物的质子化离子在高能碰撞解离模式下，通过苯基亲核取代重排，C－S键均裂，中性丢失巯基自由基，生成了3－（取代苯基）－吲哚自由基离子；通过1，4－质子迁移，C－S键异裂，产生了3－硫代吲哚阳离子；通过1，2－氢负离子迁移，C－S键均裂，则产生了特征的吲哚自由基阳离子。本试验可对今后3－苯硫基吲哚衍生物的合成、表征及特征离子谱库的建立提供参考依据。

感谢沈振陆教授提供研究样品！

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