反式肉桂酸电喷雾质谱负离子模式脱CO的路径.pdf

第 32 卷，第7 期2023 年7 月化学分析计量CHEMICAL ANALYSIS AND METERAGEVol.32,No.7Jul.2023反式肉桂酸电喷雾质谱负离子模式脱CO的路径方芳1，方舟1，孙长海2（1.佳木斯大学临床医学院，黑龙江佳木斯154003；2.佳木斯大学药学院，黑龙江佳木斯154007）摘要为了从机理上揭示反式肉桂酸在电喷雾质谱负离子模式下脱除CO的路径与特征，运用密度泛函理论方法对反式肉桂酸质谱裂脱除CO过程进行了量子化学计算研究。采用的交换关联泛函/基组为RB3LYP/6-311G，对轻原子所加的弥散函数为S，重原子所加的弥散函数为S与P，所加的极化函数分别为p及d。量子化学计算得到两条反式肉桂酸脱除CO路径，脱除过程均含有4个过渡态与3个中间产物。其中可能性大的脱CO的路径：反式肉桂酸去质子分子先与苄基位碳形成四元内脂环，接着内脂环内发生两次质子迁移生成-羟基肉桂醛负离子，最后醛基氢转移到邻位碳上，脱去CO生成苯乙酮负离子。可能性大的脱CO路径全程需要的最大能量为356 kJ/mol。由于在电喷雾质谱负离子模式下，反式肉桂酸脱羧所需的能量为172 kJ/mol，因此反式肉桂酸去质子分子的裂解以脱羧优先。反式肉桂酸二级质谱的特征以脱羧为主，即质荷比为103的脱羧碎片离子为一基峰，质荷比为119的脱CO碎片离子的丰度极低。关键词反式肉桂酸；质谱裂解；脱CO；量子化学计算中图分类号：O657.6 文献标识码：文章编号：1008-6145(2023)07-0087-05Path of the CO loss in negative mode of trans cinnamic acid electrospray ionization mass spectrometryFANG Fang1,FANG Zhou1,SUN Changhai2(1.School of Clinical Medicine,Jiamusi University,Jiamusi154003,China；2.College of Pharmacy,Jiamusi University,Jiamusi154007,China)Abstract In order to investigate the path and characteristics of CO loss from trans cinnamic acid in the negative mode of electrospray ionization mass spectrometry,a density functional theory was used to study the loss of CO fragmentation process from trans cinnamic acid by theoretical calculation.The exchange-correlation functional/basis set was RB3LYP/6-311G.The dispersion functions added to light atoms was S,and to heavy atoms were S and P.The polarization functions added to light and heavy atoms were p and d,respectively.Two CO elimination paths of trans cinnamic acid were obtained by quantum chemical calculation,which were composed of four transition states and three intermediates.The most likely way of the CO elimination was that the trans cinnamic acid deprotonated molecule first forms a four membered ring of lactone with the benzyl carbon,then the lactones ring generated twice proton migration to produce -hydroxycinnamaldehyde anion,and finally the hydrogen of aldehyde group was transferred to the adjacent carbon to remove CO and the production fragment ion acetophenone anion was formed.The maximum energy required for the whole process of the most possible CO removal path was 356 kJ/mol.Because the energy required for decarboxylation of trans cinnamic acid was 172 kJ/mol in the anion mode electrospray ionization mass spectrometry,the decarboxylation of trans cinnamic acid was preferentially.The decarboxylation was the main characteristic of secondary mass spectrometry,that is,the decarboxylation fragment ion was a basic peak at m/z 103,and the loss CO fragment ion had a very low abundance at m/z 119.Keywords trans cinnamic acid;fragmentation reaction;CO elimination;quantum chemical calculationdoi:10.3969/j.issn.1008-6145.2023.07.019基金项目黑龙江省卫生健康委科研项目（No.2020-326）通信作者方芳，药学硕士，主管药师，主要从事临床药学与分析收稿日期20230525引用格式方芳，方舟，孙长海.反式肉桂酸电喷雾质谱负离子模式脱CO的路径 J.化学分析计量，2023，32（7）：87.FANG Fang,FANG Zhou,SUN Changhai.Path of the CO loss in negative mode of trans cinnamic acid electrospray ionization mass spectrometryJ.Chemical Analysis and Meterage,2023,32(7):87.87化学分析计量2023 年，第 32卷，第 7 期反式肉桂酸俗称桂皮酸、是天然芳香不饱和羧酸，其化学结构为反式苯丙烯酸。作为植物中生物合成关键的化学物质，其苯环上的羟基、甲氧基取代及其衍生物组成了系列的植物芳酸，呈现出广泛的生理活性1-4。肉桂酸自身也具有抗氧化、抗菌、抗炎、抗糖尿病、抗癌和保护神经的作用，正引起人们的关注5-7。质谱作为分析化学的重要技术，现已成为天然产物研究的常规分析手段8-9。质谱分析中量子化学的引入，使人们对化合物质谱裂解机理的认识得以加深，同时也丰富了气相反应化学的理论与实践的内容。量子计算已应用于化合物质谱碎裂机制与质谱的预测研究10-13，其中尤以密度泛函理论（DFT）与方法的使用最为广泛14-15。在肉桂酸的研究中，已见其及其衍生物的化学结构、分子构象和振动的量子化学研究16-19。另外，肉桂酸的取代产物酚羟基肉桂酸的裂解特征也已运用DFT计算进行过探索20。反式肉桂酸于电喷雾电离的负离子模式下的质谱较为简单，去质子分子裂解通常仅呈现脱羧产物离子碎片，当加大质谱碰撞能量时会有脱CO产物离子碎片出现。虽然当前的质谱数据库中反式肉桂酸的质谱收录较为丰富，但反式肉桂酸的质谱裂解机制却鲜见报道。从理论上揭示反式肉桂酸质谱裂解的机制，不仅有助于深入理解其质谱特征，并且能为相关的植物芳酸质谱研究提供基础的理论支持。笔者利用DFT方法计算电喷雾负离子模式下的反式肉桂酸负离子质谱裂解脱CO最有可能的路径，并揭示其质谱中脱CO产物离子丰度较弱的原因。1实验部分1.1主要仪器与试剂四 级 杆-轨 道 阱 高 分 辨 质 谱 仪：Thermo ScientificTM Q-ExactiveTM组合型，美国赛默飞世尔科技有限公司。TMO-NM-35C氮气发生器：英国PerMuta科技有限公司。反式肉桂酸对照品：成都瑞芬思生物科技有限公司。甲醇：色谱纯，天津科密欧化学试剂有限公司。高纯氮气：质量分数为99.999%，哈尔滨黎明气体有限公司。氮气：纯度为99.9%，由氮气发生器制备。反式肉桂酸甲醇溶液：1 g/mL，准确称取反式肉桂酸对照品适量，用甲醇溶解、稀释并定容。1.2质谱条件鞘气：氮气，压力为275.8 kPa，流量为5 L/h；辅助气体：氮气，压力为137.9 kPa，流量为5 L/h；吹扫气：氮气，压力为68.95 kPa；毛细管电压：3 kV；离子传输管温度：320；辅助气体加热温度：350；内源能量：0100 eV；碰撞气体：高纯氮气；高能碰撞裂解（HCD）碰撞池的归一化碰撞能量：10200 eV；一级质谱分辨率为70 000；二级质谱分辨率为17 500；离子扫描范围：m/z 50200；循环记录次数：3次；四级杆隔离窗：m/z 3；动态排除时间5 s。1.3实验步骤取1 g/mL反式肉桂酸甲醇溶液，通过注射泵注入ESI源，注射流量为15 L/min，按设定的质谱条件测定，获取质荷比为60160的质谱。1.4计算与分析全部的理论计算通过高斯09软件完成21。结构优化和频率计算通过密度泛函理论RB3LYP方法在6-311G基组水平进行，轻、重原子均加极化函数与弥散函数。以结构几何优化后结构振动频率计算结果无虚频为标准，确定前体离子、中间物质和产物离子的结构，以仅有单一的振动虚频同时具有合理的振动模式为标准判定过渡态结构，并要求其能够通过内禀反应坐标（IRC）计算分别连接前体离子及产物离子22-23。能量计算时采用电子与吉布斯自由能总和，能量单位为kJ/mol。2结果与讨论2.1质谱图反式肉桂酸去质子分子HCD能量为120 eV下的二级质谱如图1。质荷比147.05的离子为反式肉桂酸的去质子分子离子，质荷比103.06与119.05的粒子为碎片离子。两碎片离子分别为去质子分子脱羧产物离子与脱CO产物离子。6080100120140160m/z103.06147.05119.05图1反式肉桂酸去质子分子的二级质谱图88方芳，等：反式肉桂酸电喷雾质谱负离子模式脱CO的路径2.2CO脱除的途径在负离子质谱模式条件下，反式肉桂酸分子位于侧链上的羧基解离出质子产生去质子分子，理论计算模拟可得到两条脱除CO的途径。这两条路径的起始均由去质子分子的负离子而引发，终点生成了同一脱CO产物苯乙酮负离子，两条脱除CO的途径所涉及的各中间产物与相应的过渡态数目也相等。图2为脱CO的第一条路径。从中可知，首先反式肉桂酸去质子分子M0羧基上带有负电的氧经过渡态TS1与苄基碳结合，形成四元内脂环的中间产物 M1。接着 M1内脂环上苄基位上的氢经过渡态TS2、中间产物M2与过渡态TS3，在内脂环中连续两次发生12质子迁移，内脂环开裂生成具有-羟基肉桂醛负离子结构的中间产物M3。尔后，M3醛基上的氢也发生12质子迁移，从而促使醛基碳与其相邻碳间的键发生断裂，脱去CO生成产物苯乙酮负离子P。图3为第一条路径中过渡态、中间产物与产物相对于去质子分子的能线图。所涉及的3个中间产物，相对能量由低到高的顺序依次为 M3、M1、M2。结合图2中相应结构可知，能量顺序原因：M3结构上苯环侧链呈直链型，而M1与M2的侧链均为张力较大的四元环；另外，同为四元内脂环的M1与M2，由于M1的负电位于羰基的碳上，故较M2相对稳定。路径1中4个过渡态相对于M0的能量以TS1为最小，后3个过渡态均为质子的12迁移，有趣的是所对应的能量基本接近。整条路径所需最大能量为356 kJ/mol。图4与图5分别是第二条脱CO的路径及其能线图。图4显示第二条路径过程：初始时去质子分子M0苄基碳上的氢发生14质子迁移，经过渡态TS5与羧基负氧离子结合产生首个中间产物M4。随后，M4形成的羟基经过渡态TS6进行旋转、生成下一中间产物M5。接下，M5的羟基经过渡态TS7转移到苄基碳上，形成中间产物M6。最后，M6转移来的羟基上的氢经过渡态TS8进行13质子迁移、与侧链羟基邻位碳结合，进而引发碳碳键断裂脱去中性分子CO，生成产物苯乙酮负离子P。图5显示，路径2中的3个中间产物的相对能量顺序由低到高依次为M4、M5、M6，其中M4与M5的能量较为接近。结合图4中的结构可知，其原因在于M4与M5的负电荷位于苄基碳上相对较容易分散，而M6的负电荷较集中在羰基碳上，使得M6的结构较不稳定，从而使得M6的能量较高；路径2中所涉及的4个过渡态，以首个过渡态TS5的能垒最小。这是由于去质子分子M0中负电荷在羧基氧上较为集中，使得氢容易与其结合，同时14质子迁移过渡M0M2TS3TS2POM3TS1M1OOOOOOOOHOOOOHOOOHOCOTS4图2反式肉桂酸脱CO路径1M0 0TS1230 M1159TS2 356 M2 197 TS3 347 M3 17TS4356 P+CO 92 0100200300400/(kJemol)图3反式肉桂酸脱CO途径1势能图M0OOHCOTS5OOHTS6OOHM5OOHM4OHOTS7OHOM6OOHO-OHOTS8P图4反式肉桂酸脱CO路径20100200300400M00TS5117M4109TS6188M5155TS7410M6230TS8351P+CO92/(kJemol)图5反式肉桂酸脱CO途径2势能图89化学分析计量2023 年，第 32卷，第 7 期态的结构为一五元环，而第三个过渡态TS7的羟基转移及第四个过渡态TS8的13质子迁移时的均为四元环，TS5的五元环环张力相对小些。第二个过渡态的能量也较低，其原因在于这一过渡态为键的旋转，所需能量相对较小。整条路径所需最大能量为410 kJ/mol。比较脱CO的路径可知，虽然路径2首个过渡态较路径1的首个过渡态的能垒低113 kJ/mol，路径2的键旋转的第二个过渡态的能垒也低于路径1的首个过渡态，但第三个过渡态TS7涉及羟基向带有负电荷的碳转移，要克服一定的排斥力需要能量较多，使得路径1较路径2的CO的脱除更容易完成，所需最大能量较路径2小54 kJ/mol。鉴于两条脱CO的产物相同，路径的优势取决于动力学，因此路径1更为可能。2.3脱除CO产物丰度由上述结果可知，在电喷雾负离子模式下反式肉桂酸于质谱中，只要获取356 kJ/mol的能量，即可完成脱CO产生质荷比为119离子碎片。从图1可见，在实验条件下，反式肉桂酸于质谱脱除CO产物的丰度远远低于脱除CO2产物的丰度。理论计算表明反式肉桂酸质谱脱羧最可能的途径为CC键异裂无过渡态的直接脱羧，相应的键断裂能为172 kJ/mol，脱羧产物可经230 kJ/mol能垒的过渡态转化成更稳定的苯乙烯负离子；脱羧及产物转化涉及的能量远远小于脱CO需要的能量。3结语量子化学计算表明，于电喷雾负离子模式下，反式肉桂酸质谱裂解脱除中性分子CO的产物为苯乙酮离子。其最可能的脱除CO的机制为由反式肉桂酸去质子分子中氧与苄基碳成键而引发，历经四元内脂环成环、内脂环环内质子迁移、内脂环脂键开裂，醛基氢转移与醛基CC断裂等过程。脱CO的路径由4个过渡态与3个中间产物组成，脱除中性分子CO所需能量为356 kJ/mol。反式肉桂酸质谱裂解过程中，脱除CO2的能量接近于脱CO能量的1/2，在动力学具有较大的优势。由此，使得反式肉桂酸质谱脱CO的产物离子相应的丰度极低，脱羧的产物离子表现为基峰。参 考 文 献1 RODRIGUES M P，TOMAZ D C，DE SOUZA L A，et al.Synthesis of cinnamic acid derivatives and leishmanicidal activity against Leishmania braziliensis J.Eur J Med Chem，2019，183：111 688.2 WANG S R，YANG W M，FAN Y，et al.Design and synthesis of the novel oleanolic aid-cinnamic acid ester derivatives and glycyrrhetinic acid-cinnamic acid ester derivatives with cytotoxic properties J.Bioorg Chem，2019，88（7）：02 951.3 RUWIZHI N，ADERRIBIGBE B A.Cinnamic acid derivatives and their biological efficacyJ.Int J Mol Sci，2020，21（16）：5 712.4 CHEN Lihua，ZHANG Ling，YAN Guobing，et al.Recent advances of cinnamic acids in organic synthesis J.Asian J Org Chem，2020，9（6）：842.5 YILMAZ S，SOVA M，ERGN S.Antimicrobial activity of trans-cinnamic acid and commonly used antibiotics against important fish pathogens and nonpathogenic isolates J.J Appl Microbiol，2018，125（6）：1 714.6 WANG Z Y，GE S H，LI S Y，et al.Anti-obesity effect of trans-cinnamic acid on HepG2 cells and HFD-fed mice J.Food Chem Toxicol，2020，137：111 148.7 DE AQUINO FLT，DA SILVA J P，DE SOUZA FERRO J N，et al.Trans-cinnamic acid，but not p-coumaric acid or methyl cinnamate，induces fibroblast migration through PKA-and p38-MAPK signalling pathwaysJ.J Tissue Viability，2021，30（3）：363.8 杨芃原.质谱仪器技术是国家战略核心技术 J.质谱学报，2020，41（2）：93.9 马聪玉，生宁，李元元，等.中药成分质谱分析新技术和新策略进展 J.质谱学报，2021，42（5）：709.10 WRIGHT P，ALEX A，PULLEN F.Predicting collision-induced dissociation spectra：semi-empirical calculations as a rapid and effective tool in software-aided mass spectral interpretationJ.Rapid Comm Mass Spectrom，2014，28（10）：1 127.11 WRIGHT P，ALEX A，PULLEN F.Can computational chemistry be used to predict CID fragmentation of anions？J.Rapid Comm Mass Spectrom，2015，29（23）：2 309.12 DE VIJLDER T，VALKENBORG D，LEMIRE F，et al.A tutorial in small molecule identification via electrospray ionization-mass spectrometry：the practical art of structural elucidation J.Mass Spectrom Rev，2018，37（5）：607.13 SCHLER J A，NEUMANN S，MLLER-HANNEMANN M，et al.Chem Frag：chemically meaningful annotation of fragment ion mass spectra J.J Mass Spectrom，2018，53（11）：1 104.14 ALEX A，HARVEY S，PARSONS T，et al.Can density functional theory（DFT）be used as an aid to a deeper understanding of tandem mass spectrometric fragmentation pathways？J.Rapid Comm Mass Spectrom，2009，23（17）：2 319.15 CARR A，SPEZIA R.In silico tandem mass spectrometer：an analytical and fundamental toolJ.Chem Methods，2021，190方芳，等：反式肉桂酸电喷雾质谱负离子模式脱CO的路径（2）：123.16 KALINOWSKA M，SWISLOCKA R，LEWANDOWSKI W.The spectroscopic（FT-IR，FT-Raman and 1H，13C NMR）and theoretical studies of cinnamic acid and alkali metal cinnamatesJ.J Mol Struct，2008，834836：572.17 VINOD K S，PERIANDY S，GOVINDARAJAN P M.Spectroscopic analysis of cinnamic acid using quantum chemical calculations J.Spectrochimi Acta Part A：Mol Biomol Spectrosc，2015，136：808.18 DEEPTHI S，JHA A，KUMAR C R S.Quantum chemical studies of cinnamic acid with anilines for electroptical activityJ.Infrared Phys Techn，2018，92：304.19 ARJUNAN V，DEVIC L，MOHAN S.Energy profile，structure，spectroscopic and quantum chemical investigations of trans-3，4-（methylenedioxy）cinnamic acidJ.Chem Data Collect，2021，31：100 644.20 YIN Z H，SUN C H，FANG H Z.Fragmentation characteristics of hydroxycinnamic acids in ESI-MSn by density functional theory J.J mass spectrom，2017，52（7）：427.21 FRISCH M J，TRUCKS G W，SCHLEGEL H B.et al.Gaussian 09，Revision B0.1 CP，Gaussian Inc，Pittsburgh，2009.22 FUKUI K.The path of chemical reactions-the IRC approach J.Acc Chem Res，1981，14（12）：363.23 SAKAMOTO K，SATO H，UCHIYAMA M.DFT study on the biosynthesis of asperterpenol and preasperterpenoid sesterterpenoids：exclusion of secondary carbocation intermediates and origin of structural diversificationJ.J Org Chem，2022，87（9）：6 432.91