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【原创】计算化学在有机质谱研究中的应用

  • jiangkezhi
    2008/11/20
    • 私聊

同位素及其它无机质谱

  • 质谱技术由于具有质量分辨、信息量大、样品用量少、灵敏、快速等优点，多年来在测定有机物精确分子量、解析有机分子结构、研究有机反应机理等方面发挥着十分重要的作用。近年来，由于快原子轰击电离（FAB）、电喷雾电离（ESI）、基质辅助激光解吸/电离（MALDI）等软电离技术以及飞行时间质谱（TOF-MS）、傅里叶变换质谱（FT-MS）等新的质量分析方法的发展，以及各种色/质联用技术，如GC/MS、HPLC/MS、CE/MS，对于复杂体系的分离和分析十分有效，在医药领域如药代动力学研究和药物质量控制中发挥非常重要的作用；反应质谱RMS、串联质谱MS/MS等质谱新技术为研究药物－受体相互作用、药物光学纯度测定、生物超分子体系的弱相互作用和分子识别机理以及实现高通量药物筛选等提供了有力的工具。
    有机质谱的研究对象是有机气相离子，如分子离子、碎片离子等，排除了溶剂对离子的影响，真正反应离子的化学性质。而像Gauss等计算软件正适于物质在气相条件下的计算，而且其气相条件下的模拟计算相当成熟。因此，使用计算软件模拟气相化学性质具有可行性。
    同时，气相离子的存在环境非常苛刻，如高真空、电磁场等。这使得现代分析仪器难以直接进行分析气相离子结构。质谱技术主要通过离子的裂解和中性碎片的丢失来进行结构推测。分子离子的碎裂反应是有机质谱解析的基础。虽然用于有机质谱解析方法已经建立起来， 但这些方法并没有十分准确地描述分子离子的碎裂反应机理。到目前为止，质谱研究还只能属于实验科学，还需要计算化学来提高其理论水平。下面列举一些计算化学在质谱研究中的应用：
    1、离子碎裂反应的活化中性
    在电子轰击(EI)电离下，分子失去一个电子形成奇电子离子M +.。奇电子离子有两个活泼的反应中心，即电荷中心和自由基中心；偶电子离子只有电荷中心。分子离子的碎裂和产物离子的进一步碎裂主要是由这些中心引发的。对于由活性中心引发的碎裂反应，活性中性在离子中位置的确定是非常重要的。
    分子丢失一个电子之后，电荷和孤单电子一般在同一个原子上。而Radom等在对自由基的异构化进行理论计算研究时发现，反应可以被1，2-迁移基团X的质子化所促进。后来他们对甲醇的分子离子CH4O+.进行计算时发现CH4O+.不稳定[，最稳定的是.CH2OH2+.这样的结构，并随即被实验所证实。这种电荷于自由基中心分离的离子被称为荷基异位（diatonic）离子，其发现是近年来有机质谱的重要成就之一。
    在其它软电离源技术电离下，如化学电离（CI）、快原子轰击电离（FAB）、电喷雾电离（ESI）、基质辅助激光解吸/电离（MALDI）等，分子失去或者蒂合一个离子，形成准分子离子，如[M+H]+, [M+Na]+, [M-H]-, [M+Cl]-等。这些离子一般只有一个反应活泼中心，即电荷中心。
    Wesdemiotis等报道了使用快原子轰击产生一种新型的自由基离子，即低聚乙烯醚（R.）H(OCH2CH2)nO. (n=1,2), H(OCH2CH2)nOCH2. (n=1,2)与碱金属离子的络合物。理论计算表明，该离子也是一种荷基异位的离子，自由基中心在低聚乙烯醚的端基，电荷中心在碱金属上。该离子容易发生裂解产生含CH2=O的中型碎片－离子的复合物，以及氢迁移重排。
    2、分子离子以及碎片离子的空间结构
    化合物在电离后，其结构可能会发生变化。通过计算软件对离子空间结构的的模拟，可解析其裂解途径。在许多离子的碎裂反应过程中，键断裂后初生的中性碎片荷离子碎片在分离前，通过静电作用结合在一起而形成，被称为离子－中性复合物（ion－neutral complex）。Mcadoo等的理论计算表明，在丙烷分子离子的碎裂反应中，甲基自由基与乙基自由基形成一个离子－中性复合物[C2H5+...CH3.]。这两个成员简单分离则生成C2H5+和CH3.；若它们之间先发生氢原子（H.）转移再分离则生成C2H4+。和CH4。复合物的能量比分子离子失去CH4的阈值低5.3 kcal/mol，即其生成热比产物的生成热之和要低。
    在软电离源中形成的离子，经常有金属络合物或分子间氢键的形式存在分子簇离子。Cundari等[17]以FT-MS作为反应质谱来研究吡啶取代trans- Rh(PPh3)2CO(4-picoline) 配合物上的甲基吡啶时发生丢失CO。使用泛密函数计算表明，Rh-4-picoline, Rh-pyridine和Rh-CO的配位键能非常类似，而Rh的五配位的结构处在能量高位，因此丢失甲基吡啶和丢失CO是两条竞争反应。
    Marynick等使用泛密函数方法考察了MALDI基质与三肽VPL的簇状相互作用模型，研究其电离过程中质子从基质到分析物迁移的机理，发现质子有时在中性簇中迁移，而在阳离子簇中的迁移是自发的。
    3、质子迁移和重排反应：
    离子的自由基中心很容易引发附近质子的迁移反应，形成更稳定的重排结构。对于含有γ－氢的羰基化合物，如醛、酮、羧酸及其衍生物，McLafferty重排是其分离离子裂解过程中一个非常重要的反应。然而，自McLafferty首次报道这个反应以来，有关其机理是协同过程还是分步进行的问题长期争论不休。分子轨道理论计算结果表明，3－庚酮的McLafferty重排反应先经过1,5-氢迁移使分子离子异构化成荷基异位离子，后者的能量比前者约低8kcal/mol。苯丁酮红外多光子活化解离实验也证实上述机理。
    电荷中心也能引发附近质子的迁移反应，茶儿酮类化合物的加氢离子质谱裂解时，发现分子结构中的羰基最容易接受质子，而质子在各个质子化点上可以“流动”，其迁移的能垒直接影响离子的裂解，苯基上取代基的电子效应通过影响质子迁移的能垒来改变碎片离子的强度。
    除质子迁移重排之外，离子还可以发生其它形式的骨架重排，如2-(4, 6-Dimethoxypyrimidin-2-Ylsulfanyl)-N-Phenylbenzamide 及其衍生物，其负离子存在Smiles重排。

    总之，由于离子不稳定性，我们难以像常规化合物那样比较直接地对其进行结构分析。因此，使用计算化学模拟离子的结构以及其裂解途径，结合质谱技术探索气相离子化学具有非常广阔的前景。
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  • 该帖子已被版主-荆棘鸟加3积分，加2经验;加分理由:内容很不错！鼓励大家学习。
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  • jiangqinqin

    第2楼2008/11/21

    攒，学习一下！

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  • 天字一号猪

    第3楼2008/11/21

    应助达人

    好深奥的东西啊
    对质谱的有机解析一直是一知半解，是否要重新学习有机化学啊？

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  • 东方逸

    第4楼2008/11/21

    专业性似乎比较强，看那些解释都吃力。

    lifen4607 发表:好深奥的东西啊
    对质谱的有机解析一直是一知半解，是否要重新学习有机化学啊？

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  • jiangkezhi

    第5楼2008/11/21

    质谱研究的是离子行为，如碳正离子、碳负离子，建议学习一下高等有机化学。

    lifen4607 发表:好深奥的东西啊
    对质谱的有机解析一直是一知半解，是否要重新学习有机化学啊？

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  • ppttmmyy

    第6楼2008/11/23

    基本上是MS的基础知识介绍!关于"计算化学在..."介绍很少!

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  • 云中漫步

    第7楼2008/11/24

    抗日战争胜利后,唐敖庆和王瑞駪､李政道､朱光亚､孙本旺等,以助手身分随同我国知名化学家曾昭抡､数学家华罗庚､物理学家吴大猷于1946年赴美考察原子能技术｡尔后,唐敖庆被推荐留在哥伦比亚大学化学系攻读博士学位｡入学后,他同时选修了化学系与数学系的主要课程,顽强地进行学习,为他后来从事的理论化学研究工作打下了坚实而深厚的基础｡入学一年后,唐敖庆以优异成绩通过了博士资格考试,并获得荣誉奖学金｡

    只有唐敖庆才能在计算化学上独执牛耳！

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  • jiangkezhi

    第8楼2008/11/24

    在计算化学上执牛耳者当然是唐敖庆等这些老前辈啦！
    丰富和发展计算化学还需增加其应用，毕竟理论还是应用与实践。或许，有机物的质谱裂解研究也是目前计算化学的一个应用方面。
    从质谱学研究这个角度来看，个人认为仅仅做几个多级质谱和同位素标记技术等技术发展起来裂解机理毕竟还是经验理论，还需要引进计算化学知识来发展。令人兴慰的是质谱研究工作者已经开始这方面的尝试！

    chemweb 发表:抗日战争胜利后,唐敖庆和王瑞駪､李政道､朱光亚､孙本旺等,以助手身分随同我国知名化学家曾昭抡､数学家华罗庚､物理学家吴大猷于1946年赴美考察原子能技术｡尔后,唐敖庆被推荐留在哥伦比亚大学化学系攻读博士学位｡入学后,他同时选修了化学系与数学系的主要课程,顽强地进行学习,为他后来从事的理论化学研究工作打下了坚实而深厚的基础｡入学一年后,唐敖庆以优异成绩通过了博士资格考试,并获得荣誉奖学金｡

    只有唐敖庆才能在计算化学上独执牛耳！

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  • Insm_34c91f12

    第9楼2019/11/29

    请问有参考文献吗？可以给出看一下吗？谢谢啦！

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  • 我是风儿

    第10楼2020/01/01

    应助达人

    是的

    云中漫步(chemweb)发表:抗日战争胜利后,唐敖庆和王瑞駪､李政道､朱光亚､孙本旺等,以助手身分随同我国知名化学家曾昭抡､数学家华罗庚､物理学家吴大猷于1946年赴美考察原子能技术｡尔后,唐敖庆被推荐留在哥伦比亚大学化学系攻读博士学位｡入学后,他同时选修了化学系与数学系的主要课程,顽强地进行学习,为他后来从事的理论化学研究工作打下了坚实而深厚的基础｡入学一年后,唐敖庆以优异成绩通过了博士资格考试,并获得荣誉奖学金｡

    只有唐敖庆才能在计算化学上独执牛耳！

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