四氢大麻酚质谱裂解机理研究及其异构体的鉴别

四氢大麻酚质谱裂解机理研究及其异构体的鉴别

摘 要：通过GC/MS对两类THC的质谱裂解方式进行研究，对比了顺反异构体的差异，以及烯键位置不同对裂解所产生的影响，并通过所存在的差异性对其异构体鉴定提供依据。

关键词：Δ⁹-THC；Δ⁸-THC；EI（电子轰击）；质谱裂解机理；异构体

一、概述

在有机化学与药物化学的研究中,如何区分具有不同药理活性的立体异构体,一直是个困扰人们的难题。质谱虽然是有机比合物分离鉴定的一种有效分析手段,但在立体异构体的区分方面尚存在许多困难,仅在离子的丰度上有所差异，顺反异构体的物理性质差别不大,双键带氢的顺反异构体也不例外,这类顺反异构体我们通过核磁共振谱可以快速、准确地加以测定和区别^[1]，而对于顺反异构体的混合物通过核磁很难做以鉴别，或者采用X光单晶衍射法，而对于不能培养成单晶的样品，此手法不能使用。所以其鉴定存在着一定的困难，色谱具有良好的分离能力，而质谱具有很好的定性功能，通过色谱质谱仪器的联用对有机化合物的鉴定已经成为一种有力的手段。

大麻有镇静和兴奋功能，在医学上可用来做止痛剂，亦有研究用作医疗癌症和精神科疾病。吸食大麻有迷幻效果，一直有说可影响人的精神和生理。四氢大麻酚（Tetrahydrocannabinol），简称THC，又称Δ9-四氢大麻酚（Δ9-THC），最早由以色列雷霍沃特魏茨曼科学研究所的三名研究人员在1964年分离出来。从大麻中可以分离得到其异构体Δ8- THC。2013年，美国科学家研究发现，四氢大麻酚或可抗艾滋感染^[2]，表明其具有较强的生理活性，而立体化学构型往往会影响其生理活性，Δ9-THC仅双键异构和立体异构就有30个，而对于其来讲有两个手性中心，4种对应异构体，分别是左旋体和右旋体以及其所对应的顺反异构体，在常规质谱中不能区分旋光对映体，然而在手性条件下对映体将会显示出差异，利用产生的不同特征离子可以区分旋光对映体。所以其立体构型的研究就显得重要尤为重要了，而运用质谱手段对其鉴定还尚未见报道。

Tabel1. Δ9-THC及其异构体的结构式以及空间立体构型

二、结果分析

2.1Δ⁹-THC的质谱图

2. 2Δ⁹-THC的质谱裂解途径

分子被电离时，按照化学基本原理，分子优先失去电离能最低的电子而形成分子离子，所以我们往往直观的认为处于最高占据轨道(HOMO轨道)最容易失去电子而生成分子离子，而一般根据电离能的大小遵循σ电子>π电子O-n 电子>共轭π电子> S-n电子，N(氨基)- n电子，但是有时候失去的未必是最高占据轨道的电子，可能受以下的因素所影响：（1）由于EI源具有较高的能量，电子转移了足够多的能量给分子，所以HOMO-1、HOMO-2轨道，也可能会先失去电子（2）需要考虑与杂原子相连基团的电负性，如果电负性较大，那么其诱导效应将降低电子的离去
对于Δ⁹-THC首先被电离的是分子杂原子氧上的一个非成键电子，分子的电离能将显著降低，电离生成的分子离子处于基态振动的频率最大，同时苯环侧链戊基的供电子作用也使分子离子的稳定性增加所以分子离子m/z 314具有较强的丰度（在cis-Δ⁹-THC丰度为100%，在trans -Δ⁹-THC中丰度为79.6%）。奇电子的分子离子游离基定域在环上的氧原子上，因为环上氧原子的电离能相对酚羟基氧原子具有更低的电离能，其有两个活泼的反应中心即电荷中心和游离基中性，在游离基的诱导下发生α断裂失去甲基自由基得到m/z 299（之所以表现出如此高的强度，是因为氧原子的电负性比较大为3.44，所以其极强的电子配对倾向促成了裂解反应的进行，当与氧相连的碳上有H时失去质子的丰度更高，有时候可能超过分子离子峰成为基峰，对于cis-Δ⁹-THC丰度为69.6%，而在trans -Δ⁹-THC中为基峰，丰度100%），由于要将一对电子拆开需要较高的能量，离子分解时发生键均裂的活化能也相对较高，所以碎片离子优先失去中性分子，而使产物离子的自旋态保持不变。所以碎片离子m/z 299会通过苯环上酚羟基上的氢重排后，促进了羰基的解离，遂失去中性分子CO而得到较高丰度的m/z 271。在cis-Δ⁹-THC可以看到较弱的离子m/z 285，该离子的生成可能是由以下过程得到的，酚羟基的烯醇-酮式互变异构体的相互转化，当羰基氧上的一对电子被电离失去电子生成孤电子后，游离基中心诱导发生α断裂，接着发生氢重排失去HCO同时发生电荷的转移生成离子m/z 285。质谱图中还可以看到明显的m/z 258碎片离子，因为化合物分子式不含氮原子，所以该离子为奇电子离子，对于该奇电子离子则是通过重排反应得到的，而重排的过程为，化合物支链烷烃上的γH通过六元环过渡态重排到芳环上得到的，在一些文献或者书籍中将这种方式理解为McL重排，但是我个人不这么认为，觉得其和McL重排还有不同的地方，McL重排是游离基上的孤电子诱导发生的γH重排，同时也是一次的氢重排过程，而对于本例来讲，氢经过了两次的重排，首先是γ位的氢重排到苯环的不饱和双键上，后烷基上的孤电子诱导发生苄基位的断裂失去中性分子1-丁烯，后苯环上的氢重排到苄基位使孤电子成对，从而达到稳定的一种体系，还有就是可以从结构上看出首先游离基将会定域在杂原子氧上，而McL的游离基则是定域在连有双键的杂原子上，所以从以上两点个人认为此过程不同于传统的McL氢重排反应。同时谱图上可以看到较强m/z 243的碎片离子，该离子的生成很好理解，是杂环氧原子发生α断裂失去甲基自由基所得到的。还有就是谱图中较强的m/z 231碎片离子，而对于该离子的生成过程可能相对复杂点，其生成过程可能如下，甲基上氢重排到杂环氧原子上，从而诱导发生C-O键的断裂，杂原子氧通过得到重排的氢生成羟基，同时我们可以看到化合物具有环烯的结构，所以其会发生RDA反应脱去烯烃，但是究竟是先发生RDA反应还是发生甲基上的氢重排反应还无法确定，但是可以看到当游离基中心定域在氧原子上将会诱导使得体系发生进一步的改变，电子的成对倾向使得得到的离子失去甲基自由基，后通过过渡态重排得到稳定的六元环体系使得离子保持高度的共轭稳定性，所以具有较强的丰度。中质量端明显的是m/z 193碎片离子，该离子是杂环氢重排到氧上开环后左侧的苄基裂解所生成的。
其可能的裂解途径如下Flg3：

Fig 3. Δ⁹-THC可能的质谱裂解途径

2.3 Δ⁸-THC的质谱图

2.4 Δ⁸-THC的质谱裂解途径

Δ⁸-THC分子被电离时，和Δ⁹-THC一致，首先被电离的是分子杂原子氧上的一个非成键电子，分子的电离能将显著降低，电离生成的分子离子处于基态振动的频率最大，同时苯环侧链戊基的供电子作用也使分子离子的稳定性增加所以分子离子m/z 314具有较强的丰度（在cis-Δ⁸-THC丰度为100%，在trans Δ⁸-THC中丰度为43.6%）。奇电子的分子离子游离基定域在环上的氧原子上，因为环上氧原子的电离能相对酚羟基氧原子具有更低的电离能，其有两个活泼的反应中心即电荷中心和游离基中性，在游离基的诱导下发生α断裂失去甲基自由基得到m/z 299（之所以表现出如此高的强度，是因为氧原子的电负性比较大为3.44，所以其极强的电子配对倾向促成了裂解反应的进行，当与氧相连的碳上有H时失去质子的丰度更高，有时候可能超过分子离子峰成为基峰，对于cis-Δ⁸-THC丰度为18.0%，而在trans Δ⁸-THC中为5.2%），由于要将一对电子拆开需要较高的能量，离子分解时发生键均裂的活化能也相对较高，所以碎片离子优先失去中性分子，而使产物离子的自旋态保持不变。所以碎片离子m/z 299会通过苯环上酚羟基上的氢重排后，促进了羰基的解离，遂失去中性分子CO而得到较高丰度的m/z 271。质谱图中明显的m/z 258碎片离子，是通过重排反应得到的，而重排过程为化合物支链烷烃上的γH通过六元环过渡态重排到芳环上。谱图上较强m/z 243的碎片离子，是杂环氧原子发生α断裂失去甲基自由基所得到的。谱图中m/z 231碎片离子，cis-Δ⁸-THC为61.2%，trans-Δ⁸-THC为基峰100%。其生成的过程与Δ⁹-THC中m/z 231不一致，我们可以看到质谱图中明显的m/z246碎片离子，该离子是通过RDA反应生成的，而m/z 231则是，游离基中心定域在杂原子氧上后，游离基中心诱导发生α断裂失去甲基后生成的，所以在trans Δ⁸-THC中为基峰，表明这一过程需要的能垒很低，但是cis和trans却有着很大的差异，将在后面予以分析。中质量端明显的是m/z 193碎片离子，该离子是杂环氢重排到氧上开环后左侧的苄基裂解所生成的，与-Δ⁹-THC中一致。
其可能的裂解途径如下Flg3：

图2. Δ⁸-THC可能的质谱裂解途径

Tabel2. trans -Δ⁹-THC、cis-Δ⁹-THC、trans–Δ⁸-THC、cis-Δ⁸-THC特征离子及丰度