有机化合物在电喷雾串联质谱中的质子转移以及裂解机理的研究

摘要

软电离多级质谱技术，尤其是电喷雾(ESI)串联质谱，已在生物大分子和有机小分子的结构研究中得到了广泛的应用，然而与传统的EI质谱相比，ESI条件下的气相裂解反应的研究尚缺乏相应的理论体系。本论文试图通过一些模型化合物在ESI条件下的气相反应研究，获得系列裂解规律，主要包括以下四部分内容：
　　 1．解离的质子化位点以及质子转移反应的研究：以查尔酮类化合物Ph-CO-CH=CH-Ph’为模板，讨论并完善了“解离的质子化位点”理论模型，即质子只有从初始的热力学稳定的位点转移到一些特定的位点（“解离的质子化位点”），才能引发质谱碎裂反应。对于质子化的查尔酮，丢失两边的苯环和丢失苯乙烯是主要的碎裂途径。理论计算证明羰基氧原子是最初的也是热力学最稳定的质子化位点，质子由初始化位点转移到双键或者苯环Cl位的能量（能垒）控制着反应进行的方向。质子转移的中间体通过设计1,5-二羰基化合物的原位碎裂反应得到验证。取代基效应和氘代实验验证了质子在整个分子中的“流动”特征。“解离的质子化位点”模型可用以阐明众多质子化准分子离子的气相裂解反应。
　　 2．逆傅-克( Retro Friedel-Crafts)反应的研究：论文将“解离的质子化位点”理论模型应用于揭示几类杂环药物在多级质谱中的逆傅-克反应。这些芳香族杂环药物中质子化初始的位点是氧或氮等杂原子，但只有当质子转移到“解离的质子化位点”时，这些化合物才会发生丢失酰基、烷基或者磺酰基的逆傅-克反应。我们通过理论计算探索了几个典型化合物的气相裂解过程，并通过高分辨质谱研究和氘代实验等方法，阐明了几种特殊的特征碎片离子是通过离子／中性复合物重排或者氢迁移形成的。
　　 3．离子／中性复合物(INC)为中间体介导的电子转移反应的研究：离子／中性复合物是单分子气相裂解反应的重要中间体，常发生氢迁移、阳离子迁移以及重排等反应。论文在研究苯磺酰胺类化合物R'C6H4SO2NHC6H4R的质谱行为时，发现了一类新的INC为中间体介导的电子转移裂解反应。与酰胺类化合物不同，苯磺酰胺倾向于在氮原子上质子化，但当质子加在氮原子上时，S-N键会自动断裂，产生一个离子／中性复合物[苯磺酰阳离子／苯胺]中间体。苯磺酰胺类化合物在ESI-MS/MS中的主要产物离子是异常的苯胺自由基离子RC6H4NH2+；通过理论计算和质谱实验证明了该离子是通过1NC中两构成部分间发生电子转移而得到的。对于一系列带有不同取代基的苯磺酰胺，苯胺自由基离子的强度与相应苯胺的电离能有关，拥有较低的IE值的苯胺可生成相对较高丰度的苯胺自由基离子。
　　 4．通过取代基效应研究重排反应机理：重排机理常用于解释单分子气相裂解反应中的特殊碎片，而取代基效应是研究反应机理的有效手段之一。论文将取代基效应用于N-苯基苯磺酰胺丢失SO2的重排反应机理的研究中，发现产物离子与母离子相对丰度比值的对数值跟取代基常数呈一曲线关系，对曲线的拟合对应了两条亲核进攻的反应途径，实验和理论计算也证明了这两条反应途径的可行性。
　　 此外，论文还简要总结了软电离质谱尤其是电喷雾质谱中气相裂解反应的研究进展。

目录

文摘

英文文摘

1 绪论

1.1 电喷雾质谱概述

1.2 电喷雾串联质谱的研究现状及问题

1.3 关于质子化的研究

1.3.1 质子亲和势与气相碱度

1.3.2 解离的质子化位占

1.4 离子／中性复合物的研究进展

1.4.1 INC的基本概念

1.4.2 INC的存在证据及相关研究

1.4.3 INC的反应研究

1.5 取代基效应

1.5.1 取代基效应和取代基常数

1.5.2 质谱研究中的取代基效应

1.6 本章小结

参考文献

2 查尔酮的气相反应研究：解离的质子化位点及质子转移

2.1 概述

2.2 实验部分

2.2.1 样品和试剂

2.2.2 质谱

2.2.3 理论计算

2.3 结果与讨论

2.3.1 质子化诱导的裂解反应

2.3.2 质子转移过程

2.3.3 解离的质子化位占

2.4 本章小结

参考文献

3 杂环药物的逆傅-克反应的研究

3.1 概述

3.2 实验部分

3.2.1 样品和试剂

3.2.2 质谱

3.2.3 理论计算

3.3 结果与讨论

3.3.1 化合物1,2和3的逆傅-克脱酰基以及INC为中间体的重排反应研究

3.3.2 化合物4和5的逆傅-克脱烷基的反应研究

3.3.3 化合物6和7的逆傅-克脱磺酰基反应以及INC为中间体的氢迁移研究

3.4 本章小结

参考文献

4 INC为中间体的电子转移反应：磺酰胺在质谱中的裂解

4.1 概述

4.2 实验部分

4.2.1 样品和试剂

4.2.2 质谱

4.2.3 理论计算

4.3 结果与讨论

4.3.1 解离的质子化位点与质子转移过程

4.3.2 离子／中性复合物

4.3.3 电子转移反应

4.3.4 电离能对电子转移反应的影响

4.4 本章小结

参考文献

5 磺酰胺类化合物在-ESI-MS/MS条件下丢失SO2的机理研究

5.1 概述

5.2 实验部分

5.2.1 样品和试剂

5.2.2 质谱

5.2.3 理论计算

5.3 结果与讨论

5.3.1 N-芳基苯磺酰胺丢失SO2的研究

5.3.2 化合物1,4和6的理论计算

5.3.3 N-烷基苯磺酰胺碎裂研究

5.4 本章小结

参考文献

论文总结

攻读博士学位期间主要的研究成果

致谢