基于密度泛函理论研究四环素的电喷雾质谱裂解机理

基于密度泛函理论研究四环素的电喷雾质谱裂解机理

图1 Tetracycline结构及其空间立体构型

表1 四环素各质子结合位点的质子亲和能E_PA

Tabel 1 Protonaffinity for proton binding sites of Tetracycline(E_PA)

通过表1可以看出质子结合位点位于氨基上具有较高的质子亲和能，表明N上孤对电子可能占据HOMO轨道，所以质子化位点极可能位于氨基上。

2.2 四环素在LC-ESI-Q-Orbitrap-MS下的质谱裂解途分析

通过以上计算，以质子化位点位于氨基上为起点，并结合高分辨率质谱数据对其质谱裂解途径和机理进行分析，使用(LC-Q-Orbitrap-MS)获得准分子离子峰m/z 445.1594的二级谱，质谱碎片离子及相对丰度见表2

表2 四环素电喷雾离子源下准分子离子（MS²）的碎片离子及其相对丰度

Tabel 2 Relative abundancesof characteristic ions in the ESI(MS²) mass spectra of Tetracycline

依据表1计算结果，对比质子亲和能，质子最可能的结合位点为氨基上氮原子，氮原子的一对未成键电子最可能占据HOMO轨道，所以以质子结合到氨基上所形成的准分子离子峰为起始点（备注：只是最可能概率最大的，但是不排除其他小概率的质子结合位点所引发的裂解），对其可能的质谱裂解途径做以下分析。准分子离子峰失去H₂O中性分子后得到碎片离子m/z427.1500，与理论误差为-2.61ppm。而失去H₂O中性分子可能有多个不同位点，1.2-消除脱水和-2.4消除脱水，从空间立体构型中可以看到氢和羟基均位于一侧，所以有利于发生1.2-消除和2.4-消除，如此就有了三种可能的脱水方式，所以通过计算得到不同三种方式下脱水后生成离子的稳定构型及其能量，见表3。由表3可以看出第一种模式下生成的离子能量最低，表明此方式为主要途径，更容易进行。准分子离子通过正电荷转移失去NH₃可以生成离子m/z 428.1340，与理论误差为0.02ppm，β为的氢重排到侧链氮原子上可以脱去侧链CH₃NHCH₃得到碎片离子m/z 383.0761，与理论值误差为1.01ppm。该离子进一步通过1.2-消除脱H₂O后生成离子m/z 365.0656，与理论值误差为0.19ppm。后通过2.4-消除脱水生成离子m/z 347.0550，与理论值误差为-1.91ppm。，由于2.4-消除相比1.2-消除难所以生成的离子丰度相对较低，离子m/z 383.0761失去多个CO生成离子m/z 297.0757，进一步裂解生成离子m/z 269.0808，与理论值误差为-1.65ppm。 碎片离子m/z 383.0761，失去CO后生成碎片离子m/z 355.0812，与理论值误差为-0.19ppm。该离子通过1.2-消除反应脱水后得到离子m/z 337.0707，与理论值误差为-0.43ppm。后通过1.4-消除反应脱H₂O得到离子m/z 319.0601，与理论值误差为-3.01ppm。准分子离子可以通过逆狄尔斯-阿德尔反应(Retro Diels-Alder reaction,RDA反应)生成离子m/z 171.0764，与理论值误差为-0.11ppm。该离子通过电荷转移脱去NH₃后得到离子m/z 154.0499，与理论值误差为-0.39ppm。进一步失去CO得到离子m/z 126.0550，与理论值误差为-0.59ppm。准分子离子通过1.2-消除后发生RDA裂解反应得到离子m/z 257.0808。 准分子离子脱NH₃后生成的离子通过两次1.2-消除后生成离子m/z 410.1124和离子m/z 392.1129，相对误差分别为0.13ppm和0.25ppm。离子m/z 392.1129脱去中性分子CO后生成离子m/z 364.1179，相对误差为1.49ppm，由离子m/z 365.0656脱H₂O得到离子m/z 349.0707，后脱去CO得到离子m/z 321.0757。其可能的裂解途径见图2

图2 四环素电喷雾离子源下(MS²)可能的质谱裂解途径

Fig.2 Possible cleavage pathways of Tetracycline in the ESI(MS²) mass spectra

表3 四环素正离子的总能量及脱水后离子能量计算基组及水平：B3LYP//6-311++G(3df,3pd)

Table 3^aTotal energies(TEs) and binding energies (BEs) of Tetracycline

positive ion andloss H2O calculated at the B3LYP//6-311++G(3df,3pd) levelin gas phase

3 结论

本文通过使用LC-Q-Orbitrap-MS对四环素在电喷雾离子源，正离子模式下的质谱碎裂途径和机理做以解析，并使用密度泛函理论结合量子化学计算，运用Gaussian 03计算分析，计算了不同质子结合位点的质子亲和能，构建了准分子离子的优势构型。量子计算表明质子结合位点位于氨基上具有较高概率，以其为初始进行裂解途径分析与高分辨率质谱给出数据一致，同时对化合物结构中可能的脱水位点进行计算，发现1.2-消除脱水比2.4-消除脱水方式更加容易进行。通过研究发现化合物可以失去通过β位氢重排失去侧链二甲胺，失去水和一氧化碳等裂解过程，通过文中信息可以为此类化合物的结构鉴定提供理论指导依据。

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