張凱林，杜夢穎，許一澄，李樹奇，崔永亮，張 森，馬利福，汪 曣，孔祥蕾,3

(1.天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院，天津 300072；2.南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院元素有機(jī)化學(xué)國家重點實驗室，天津 300071；3.南開大學(xué)化學(xué)科學(xué)與工程創(chuàng)新中心，天津 300071)

硝基咪唑類化合物廣泛用于高能材料，如爆炸物、推進(jìn)劑等,在動力學(xué)研究中一直受到廣泛關(guān)注[1-2]。這類化合物中的一些分子具有良好的滅菌作用，被用于一些疾病的治療[3-4]。同時，該類分子也可以作為放射致敏劑用于一些放射性治療[5]。在正電子放射斷層造影術(shù)(PET)中，該類化合物常被用作腫瘤缺氧的顯像劑[6-7]。近年來，由于硝基咪唑類化合物在放射性治療、顯像等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，其光解離機(jī)理及其相關(guān)的物理化學(xué)性質(zhì)研究受到科學(xué)家的關(guān)注[6-7]。

在氣相中研究硝基咪唑類化合物可消除溶劑效應(yīng)的干擾，更直接地展示該類化合物的性質(zhì)。1979年，Kajfe?等[8]使用光電子能譜法對甲基硝基咪唑分子進(jìn)行了研究。2014年，F(xiàn)eketeova等[9]利用線性離子阱-傅里葉變換離子回旋共振質(zhì)譜儀對尼莫拉唑和米索硝唑進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，發(fā)現(xiàn)負(fù)離子模式下這些放射增感劑的電噴霧離子化會導(dǎo)致形成自由基陰離子，并進(jìn)一步利用碰撞誘導(dǎo)解離(CID)對其裂解反應(yīng)進(jìn)行研究。該課題組隨后使用X射線光電子能譜法在氣相中對此類化合物進(jìn)行了研究[10]，并使用CID和電子誘導(dǎo)解離(EID)研究不同取代位點的硝基咪唑質(zhì)子化陽離子、自由基陽離子及其丟氫陰離子的解離機(jī)理[11]。結(jié)合理論計算，推測2-硝基咪唑丟失H2O的解離通道是由于發(fā)生了2次H原子轉(zhuǎn)移而造成的。Cartoni和Bolognesi等[12-13]使用光電子-光離子符合譜(PEPICO)研究了2-硝基咪唑和4(5)-硝基咪唑在真空紫外激光照射下的光解離碎片，結(jié)合理論計算，針對部分通道的單重態(tài)及三重態(tài)解離過程進(jìn)行對比，該工作著重解釋了NOCO解離通道，并分析了取代位點對這一過程的影響。除此之外，一些課題組使用不同的實驗裝置針對氣相中的硝基咪唑類分子進(jìn)行了有意義的工作[14-18]。

本研究擬選擇硝基苯并咪唑類分子進(jìn)行紫外光解離(UVPD)質(zhì)譜和光譜的研究。硝基苯并咪唑分子中含有苯環(huán)，吸收紫外光子后，其中的電子被激發(fā)，導(dǎo)致質(zhì)子化的硝基苯并咪唑分子發(fā)生解離。選擇2-硝基苯并咪唑(2-NBI)、5-硝基苯并咪唑(5-NBI)和7-硝基苯并咪唑(7-NBI)，結(jié)構(gòu)式示于圖1，重點研究硝基不同取代位點對3種硝基苯并咪唑解離通路的影響，并進(jìn)一步利用理論計算對各化合物的解離機(jī)理進(jìn)行研究。

圖1 2-NBI(a)、5-NBI(b)及7-NBI(c)的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structures of 2-NBI (a), 5-NBI (b) and 7-NBI (c)

1 實驗部分

1.1 實驗方法

在課題組搭建的基于傅里葉變換離子回旋共振質(zhì)譜儀(FT-ICR-MS)的超寬波段光解離質(zhì)譜-光譜系統(tǒng)上進(jìn)行實驗[19]。該系統(tǒng)使用7.0 TFTICR質(zhì)譜儀(美國IonSpec公司產(chǎn)品)，可調(diào)諧紫外-可見OPO激光器(EKSPLA,NT-342C,立陶宛)。 具體的實驗裝置可參考文獻(xiàn)[20]，這里只對實驗方法做簡單描述。不同樣品的離子均由ESI電離源產(chǎn)生，其中5-NBI (純度95%)為研峰科技(北京)有限公司產(chǎn)品，2-NBI(純度95%)和7-NBI(純度97%)為上海畢得醫(yī)藥科技有限公司產(chǎn)品。所有樣品使用甲醇-水-乙酸混合溶液(49∶49∶2，V/V/V)溶解，3種樣品溶液的濃度為2 mmol/L。為得到穩(wěn)定的質(zhì)譜信號，在正離子模式下，以2-NBI、5-NBI和7-NBI溶液為待測物，對ESI離子源的噴針電壓進(jìn)行優(yōu)化，最佳電壓分別為2.9、3.1和2.5 kV。由ESI源產(chǎn)生的離子經(jīng)四極桿注入FT-ICR分析池，進(jìn)一步使用存儲波形的傅里葉逆變換(stored waveform inverse fourier transform, SWIFT)[21]方法選擇待測目標(biāo)離子，進(jìn)行CID或UVPD實驗。碰撞誘導(dǎo)解離實驗通過持續(xù)非共振輻射(sustained off-resonance irradiation, SORI)的方法得以實現(xiàn)[22]。實驗中Vb-p設(shè)置為1.8 V，激發(fā)時間為100 ms，頻率偏移為1 000 Hz。

在UVPD實驗中，激光的典型能量為3 mJ/pulse，每個脈沖寬度5 ns，頻率10 Hz，照射時間2 s。其中2-NBI的“Action”光譜掃描范圍為210～370 nm，5-NBI和7-NBI的光譜掃描范圍為210～320 nm，所有光譜的掃描步長為1 nm。以波長為橫坐標(biāo)(x,nm)，相對光譜強度為縱坐標(biāo)(y)，繪制了3種化合物的紫外光解離光譜，總光譜每個點的相對光譜強度(IR)由式(1)計算得到：

IR=∑Ii/(∑Ii+Ip)

(1)

單通道產(chǎn)率光譜每個點的相對光譜強度(IRi)則由式(2)計算得到：

IRi=Ii/(∑Ii+Ip)

(2)

其中，Ip和Ii分別表示母離子的強度和各碎片離子的強度。

1.2 理論計算

使用GAUSSIAN 09軟件[23],利用B3LYP[24-25]泛函在6-311++g(d,p)水平下進(jìn)行質(zhì)子化2-NBI、5-NBI和7-NBI離子的幾何構(gòu)型優(yōu)化。所有過渡態(tài)(TS)的構(gòu)型優(yōu)化同樣使用B3LYP泛函在6-311++g(d,p)水平下進(jìn)行，并使用內(nèi)稟反應(yīng)坐標(biāo)(intrinsic reaction coordinates, IRC)計算進(jìn)行驗證，以確保計算出的過渡態(tài)是反應(yīng)物與產(chǎn)物的連接點。文中展示的所有能量全部經(jīng)過零點能校正。

2 結(jié)果與討論

2.1 CID及UVPD質(zhì)譜

2-NBI、5NBI和7-NBI的CID質(zhì)譜圖示于圖2， 2-NBI的質(zhì)子化離子經(jīng)過碰撞后產(chǎn)生了m/z134 和118碰撞解離碎片。m/z118碎片離子為C-N斷裂導(dǎo)致NO2·解離而產(chǎn)生，m/z134碎片離子是NO·解離所形成。這2個解離通道與文獻(xiàn)[11,13]報道的硝基咪唑裂解結(jié)果一致。5-NBI和7-NBI離子在碰撞后均只出現(xiàn)m/z118解離碎片，即使改變碰撞能，仍未出現(xiàn)m/z134碎片離子的信號。

圖2 2-NBI(a)，5-NBI(b)，7-NBI(c)的CID質(zhì)譜圖Fig.2 CID mass spectra of 2-NBI (a), 5-NBI (b) and 7-NBI (c)

3種同分異構(gòu)體質(zhì)子化離子在225 nm激光照射下得到的光解離質(zhì)譜圖示于圖3。在此波長激光照射下，2-NBI產(chǎn)生的光解離碎片離子與CID碎片離子相比，除了發(fā)生NO2·和NO·解離產(chǎn)生m/z118 和134碎片離子，還出現(xiàn)了由OH·解離產(chǎn)生的m/z147碎片離子以及由NOCO解離產(chǎn)生的m/z106碎片離子。5-NBI的碎片離子僅有3種，除了在2-NBI的質(zhì)譜圖中出現(xiàn)了m/z118和m/z106離子，還在m/z148處觀察到強度較弱的由O原子解離所形成的碎片離子峰，未測到m/z134。對于7-NBI，其解離結(jié)果與2-NBI相似，僅多了1個碎片離子m/z117。

圖3 2-NBI(a)，5-NBI(b)，7-NBI(c)的225 nm UVPD質(zhì)譜圖Fig.3 225 nm UVPD mass spectra of 2-NBI (a), 5-NBI (b)and 7-NBI (c)

3個化合物均出現(xiàn)了m/z106碎片離子，對圖3a和3c中的m/z134碎片離子進(jìn)行進(jìn)一步光照解離(即MS3串聯(lián)質(zhì)譜分析實驗)，發(fā)現(xiàn)來自2-NBI和7-NBI的m/z134碎片離子受到紫外激光照射后會再次解離，有且僅有m/z106碎片離子出現(xiàn)，即2-NBI和7-NBI出現(xiàn)的m/z106碎片離子應(yīng)主要來自m/z134碎片離子的進(jìn)一步解離。5-NBI的裂解碎片沒有m/z134，故其m/z106碎片離子的形成機(jī)理很可能與2-NBI和7-NBI不同。

當(dāng)采用波長較長的紫外激光進(jìn)行實驗時，與225 nm波長結(jié)果相比，3種同分異構(gòu)體離子的解離碎片種類和相對強度均發(fā)生了一定改變。280 nm紫外激光的實驗結(jié)果示于圖4，其中2-NBI同時出現(xiàn)了m/z146、147碎片離子，分別對應(yīng)H2O和OH·的解離。在5-NBI的光解離質(zhì)譜圖中，沒有檢測到m/z148碎片離子，表明隨著激光光子能量降低，其能量已無法滿足m/z148碎片離子的產(chǎn)生條件。對于7-NBI，m/z106碎片離子的質(zhì)譜強度非常低，說明280 nm激光光子提供的能量已接近該碎片離子產(chǎn)生所需的能壘。

圖4 2-NBI(a)，5-NBI(b) and 7-NBI(c)的280 nm UVPD質(zhì)譜圖Fig.4 280 nm UVPD mass spectra of 2-NBI (a), 5-NBI (b) and 7-NBI (c)

2.2 UVPD光譜

3種質(zhì)子化硝基苯并咪唑同分異構(gòu)體的紫外光解離光譜圖示于圖5。3種同分異構(gòu)體質(zhì)子化陽離子的UVPD光譜圖的譜峰位置和峰形有明顯不同，通過對比三者的光解離光譜，可進(jìn)行有效區(qū)分。通過進(jìn)一步對比和分析，3種質(zhì)子化離子的光譜特征與硝基取代位置的相關(guān)度較大。其中2-NBI的硝基連接在咪唑氮雜環(huán)的C2上，其取代位點距離苯環(huán)最遠(yuǎn)，光譜中出現(xiàn)了2個較明顯的光譜吸收峰，在210～250 nm波段內(nèi)光譜峰的強度相對較低，在250～360 nm波段內(nèi)出現(xiàn)了較強的光譜吸收峰，在360 nm后未測到吸收(圖5a)。5-NBI的光譜吸收帶僅延伸到290 nm(圖5b)，光譜吸收范圍最窄。而7-NBI分子中的硝基與苯環(huán)的C7連接，其位置介于苯環(huán)與咪唑環(huán)之間，受到苯環(huán)與咪唑環(huán)的雙重影響，其光譜吸收帶可延伸到300 nm附近(圖5c)。

注：a.2-NBI；b.5-NBI；c.7-NBI

2.3 解離機(jī)理研究

2.3.1m/z146,m/z147和m/z148通道

為進(jìn)一步研究硝基取代位點對光解離的影響，本研究分析了解離動力學(xué)勢能面和相應(yīng)碎片離子的單通道紫外光解離光譜。在210～370 nm波段內(nèi)，2-NBI的m/z147、146兩個解離通道的產(chǎn)率光譜示于圖6a，在210～270 nm波段內(nèi)，m/z147通道為優(yōu)勢通道，m/z146通道的光譜強度較低；在280 nm后m/z147通道的光譜強度隨著光子能量的降低逐漸降低，m/z146通道成為優(yōu)勢通道。由實驗光譜(圖6a)可知，2-NBI-FI-146和2-NBI-FI-147通道為一對競爭通道。2-NBI的硝基連接在咪唑環(huán)2個N原子中間的C上，硝基上的O原子距離咪唑環(huán)上的2個N原子較近，咪唑氮雜環(huán)上的N—H鍵相對活潑，致使連接在N上較活潑的H原子更容易被轉(zhuǎn)移。通過計算以上2個通道的解離動力學(xué)勢能面，可知m/z147和m/z146離子分別是通過1次和2次H原子轉(zhuǎn)移之后導(dǎo)致OH·及H2O解離而形成的，結(jié)果示于圖7a。觀察最終的解離產(chǎn)物，2-NBI-FI-147+OH·的能量略高于2-NBI-FI-146+H2O的能量。結(jié)合完整勢能曲線，可較好地解釋實驗中這2個反應(yīng)通路的競爭趨勢。

在210～320 nm波段內(nèi)，5-NBI的m/z148通道的紫外光解離產(chǎn)率光譜示于圖6b。該通道的光譜強度始終較低，且吸收帶僅延伸到230 nm。由圖3b和4b可見，質(zhì)子化5-NBI離子在吸收紫外光子后未出現(xiàn)m/z147和m/z146碎片離子，表明其在解離過程中并未發(fā)生H原子的轉(zhuǎn)移。通過分析質(zhì)子化5-NBI的構(gòu)型(圖9b)，其硝基連接在距離咪唑環(huán)最遠(yuǎn)的C5上，硝基上的O原子距離咪唑環(huán)上的H原子較遠(yuǎn)，導(dǎo)致O原子無法與咪唑環(huán)N原子上的活潑H原子發(fā)生相互作用。因此，5-NBI不產(chǎn)生m/z147 和m/z146。

注：a.2-NBI中產(chǎn)生的 m/z 147 和 146離子；b.5-NBI 中產(chǎn)生的m/z 148離子；c.7-NBI 中產(chǎn)生的m/z 147離子

在210～320 nm波段內(nèi)，7-NBI的m/z147通道的產(chǎn)率光譜示于圖6c，僅產(chǎn)生碎片離子m/z147，未出現(xiàn)m/z146離子。質(zhì)子化7-NBI離子的硝基連接在苯環(huán)的C7上，處于苯環(huán)與咪唑環(huán)之間。通過計算其解離動力學(xué)勢能面，7-NBI-FI-147通道經(jīng)歷了TS1(7)過渡態(tài)形成IM1(7)中間態(tài)，在此過程中咪唑環(huán)上的1個活潑H原子轉(zhuǎn)移到硝基的O原子上，示于圖7b。7-NBI-FI-147通道經(jīng)歷了TS1(7)過渡態(tài)形成IM1(7)中間態(tài)，完成了對咪唑環(huán)上活潑H原子的轉(zhuǎn)移。由于硝基的連接位置，O原子距離另1個活潑H原子較遠(yuǎn)，但與C6相連的H原子為苯環(huán)上的穩(wěn)定H原子，穩(wěn)定的C—H鍵導(dǎo)致C6上的H原子很難轉(zhuǎn)移，無法產(chǎn)生m/z146碎片離子。

注：a.2-NBI；b.7-NBI；所有計算在B3LYP/6-311++g(d,p)水平下進(jìn)行，所示能量經(jīng)過零點能校正，單位為eV

2.3.2m/z134和m/z106 通道 在210～370 nm波段內(nèi)，質(zhì)子化2-NBI的m/z134、106光解離碎片離子的產(chǎn)率光譜示于圖8a。這2個解離通道的相對光譜強度在250 nm之前基本相同；在250～310 nm波段內(nèi)，m/z106離子的產(chǎn)率高于m/z134；在310 nm之后呈現(xiàn)出相反趨勢。上述2個通道的解離動力學(xué)勢能面示于圖9a。質(zhì)子化2-NBI離子經(jīng)過TS4(2)過渡態(tài)，形成了IM4(2)的中間態(tài)，需要跨越2.31 eV的能壘，但此過程為放熱過程，在NO·解離后形成了2-NBI-FI-134碎片離子，為硝基解離中較常見的通道。該離子再次吸收光子進(jìn)行二次解離需跨越3.02 eV的能壘，丟失CO碎片形成2-NBI-FI-106碎片離子。由其計算的勢能曲線可知，產(chǎn)生m/z106離子需跨越的能壘(TS5(2))比m/z134離子(TS4(2))高0.71 eV。

注：a.2-NBI中產(chǎn)生的m/z 134和106離子；b.5-NBI中產(chǎn)生的m/z 106離子；c.7-NBI中產(chǎn)生的m/z 134和106離子

注：a.2-NBI；b.5-NBI；c.7-NBI；所有計算在B3LYP/6-311++g(d,p)水平下進(jìn)行，所示能量經(jīng)過零點能校正，單位為eV

質(zhì)子化5-NBI在210～320 nm波段激光照射下m/z106碎片離子的產(chǎn)率光譜示于圖8b。由5-NBI產(chǎn)生的m/z106通道光譜強度相對較低，且m/z106碎片是在沒有m/z134碎片產(chǎn)生的情況下獨立出現(xiàn)的。m/z106通道的解離動力學(xué)勢能面示于圖9b，在經(jīng)過IM1(5)中間態(tài)后，NO·自由基被苯環(huán)的π共軛體系吸引并未發(fā)生解離，使苯環(huán)發(fā)生裂解，經(jīng)過TS2(5)過渡態(tài)形成IM2(5)中間態(tài)。該離子在失去了π共軛結(jié)構(gòu)之后，末端的NO基團(tuán)變得不穩(wěn)定，與另一個同樣不穩(wěn)定的CO基團(tuán)相互作用。在經(jīng)歷了TS3(5)過渡態(tài)之后形成了雙五元環(huán)連接CNO2結(jié)構(gòu)的IM3(5)。最終CNO2基團(tuán)與雙五元環(huán)結(jié)構(gòu)連接的C—C鍵發(fā)生斷裂，形成了5-NBI-FI-106離子，原本的CNO2基團(tuán)由于其結(jié)構(gòu)相當(dāng)不穩(wěn)定而裂解成NO·中性自由基及CO分子。

在210～320 nm波段內(nèi)，質(zhì)子化7-NBI的m/z134、106碎片離子的產(chǎn)率光譜示于圖8c，與質(zhì)子化2-NBI的光譜類似。在250 nm之前，2個解離通道的光譜強度基本相同；在250～290 nm波段內(nèi)，m/z134通道的光譜強度始終大于m/z106通道。由圖9c可知，7-NBI-FI-134碎片離子為苯環(huán)上硝基的NO·解離所致，此過程需要經(jīng)過TS3(7)過渡態(tài)，此過渡態(tài)的能壘為2.73 eV。7-NBI-FI-134離子在吸收紫外光子后導(dǎo)致苯環(huán)裂解，經(jīng)過了過渡態(tài)TS4(7)形成了IM4(7)中間態(tài)，此過程需跨越最高3.23 eV的能壘，比形成7-NBI-FI-134離子所需跨越的能壘高0.5 eV，解釋了m/z134通道的光譜強度始終高于m/z106通道的原因，且發(fā)現(xiàn)m/z134通道所需的能量要略低于m/z106通道。

2.3.3其他解離碎片 其他碎片離子的結(jié)構(gòu)示于圖10。2-NBI-FI-118為C—N鍵斷裂生成的m/z118碎片離子，2-NBI-FI-105為質(zhì)子化2-NBI的m/z106碎片離子再次吸收光子導(dǎo)致N—H鍵斷裂而形成的自由基碎片陽離子，類似的H自由基解離在芳香族氨基酸的紫外光解離中比較常見[26-28]。5-NBI-FI-148為m/z148碎片離子，其形成機(jī)理已在上文討論過；5-NBI-FI-118為硝基直接解離形成的m/z118碎片陽離子；7-NBI-FI-118為硝基直接解離形成的m/z118碎片離子；7-NBI-FI-117為m/z118離子再次吸收1個紫外光子而形成的m/z117自由基陽離子。

圖10 其他光解離碎片離子結(jié)構(gòu)Fig.10 Structures of other photodissociation fragment ions

3 結(jié)論

本工作通過UVPD質(zhì)譜與光譜，實現(xiàn)了3種不同取代位點硝基苯并咪唑同分異構(gòu)體的區(qū)分，結(jié)合實驗和理論計算，對質(zhì)子化2-NBI、5-NBI和7-NBI離子的解離通道進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究。結(jié)果表明，3種質(zhì)子化離子的紫外光解離光譜特征與其硝基取代位點的相關(guān)性很高。其中2-NBI的硝基取代位點位于距離苯環(huán)最遠(yuǎn)的咪唑環(huán)上，其光譜吸收帶可延伸到約360 nm，且解離碎片的種類最多；5-NBI的硝基取代位點在苯環(huán)上，且距離咪唑環(huán)較遠(yuǎn)，光解離碎片的種類最少，在290 nm之后不再有吸收；7-NBI的硝基介于苯環(huán)與咪唑環(huán)之間，其解離碎片的種類數(shù)量介于2-NBI及5-NBI之間，光譜吸收帶可延伸至300 nm。

從解離通道來看，2-NBI的UVPD質(zhì)譜中出現(xiàn)了m/z146、147碎片離子峰；5-NBI的質(zhì)譜圖中只出現(xiàn)m/z148離子峰；7-NBI只可測到m/z147碎片離子。通過DFT計算所得的勢能曲線，2-NBI中觀察到的m/z147、146離子分別是由于咪唑環(huán)N原子上的1個和2個活潑H原子轉(zhuǎn)移導(dǎo)致OH·、H2O丟失而形成的。對于5-NBI，由于其硝基距離咪唑環(huán)較遠(yuǎn)，無法發(fā)生類似的H原子轉(zhuǎn)移，故只能得到m/z148(O丟失)碎片。7-NBI的硝基介于苯環(huán)與咪唑環(huán)之間，能夠但僅能實現(xiàn)1次H轉(zhuǎn)移，所以只檢測到m/z147(OH·丟失)碎片。同時，對實驗中測到的m/z134、106碎片離子對應(yīng)的解離通道進(jìn)行了詳細(xì)分析和討論。

本文結(jié)果表明，結(jié)合UVPD質(zhì)譜法和UVPD光譜法可有效區(qū)分多種同分異構(gòu)體。取代基的位置不僅對其紫外光解離光譜有重要影響，也能直接影響這些異構(gòu)體的UVPD解離過程中伴隨的H轉(zhuǎn)移，從而使它們的光解離碎片離子的種類或分布有明顯不同。這些差異為相應(yīng)的離子提供了新的結(jié)構(gòu)信息，其光譜學(xué)特征和光解離過程中產(chǎn)生的碎片離子的結(jié)構(gòu)和活性的差異可能與這些化合物在較復(fù)雜的環(huán)境中(如生物介質(zhì))表現(xiàn)出的不同反應(yīng)機(jī)制(如放射性致敏作用)密切相關(guān)。