高校飛，程金財(cái)，肖 閃

(1.東華理工大學(xué)，江西省質(zhì)譜科學(xué)與儀器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330013；2.東華理工大學(xué)分析測(cè)試中心，江西 南昌 330013)

1931年，Pauling[1]根據(jù)He2+分子體系提出二中心三電子(2c3e)鍵，其核心是分子中自由基中心原子的s/p軌道中未成對(duì)電子與分子中未被氧化原子的s/p軌道中的電子對(duì)相互作用形成三電子σ半鍵(即2c3e鍵)，其中2個(gè)電子占據(jù)分子的σ成鍵軌道，1個(gè)電子占據(jù)σ反鍵軌道[2-3]。2c3e鍵通常存在于自由基化學(xué)、生物化學(xué)、光化學(xué)等反應(yīng)過程中長壽命的自由基中間體中，并在這些化學(xué)過程中發(fā)揮重要作用[4-9]。例如，2c3e鍵在蛋白質(zhì)中可以作為電子傳遞的中繼站[6]，促進(jìn)蛋白質(zhì)的電子轉(zhuǎn)移[10]，能夠?qū)е乱恍┎豢赡婕膊?，如阿爾茨海默癥[11]。

以硫?yàn)橹行牡?c3e鍵一直是研究者們關(guān)注的重點(diǎn)[3,7-8,12-17]，主要圍繞理論計(jì)算[7,17-19]和光譜性質(zhì)[10,20-21]開展研究。由于大多數(shù)自由基不穩(wěn)定，關(guān)于其結(jié)構(gòu)研究的報(bào)道較少[15]。傳統(tǒng)主要采用電子順磁共振(EPR)或X射線衍射(XRD)研究以硫?yàn)橹行牡?c3e鍵結(jié)構(gòu)。由于S為非磁性核，用EPR進(jìn)行結(jié)構(gòu)鑒定存在缺陷[15]；而采用XRD則通常需要獲得單晶。質(zhì)譜具有靈敏度高、檢測(cè)速度快、成本低、樣品用量少等特點(diǎn)[22-25]，通過串聯(lián)質(zhì)譜能夠獲得目標(biāo)離子的裂解規(guī)律，從而對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行解析。1987年，Asmus等[26]首次報(bào)道了[i-Pr2S∴S-i-Pr2]+離子，并采用串聯(lián)質(zhì)譜對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，隨后Illies等[4-5,27]通過質(zhì)譜法研究了多種2c3e自由基陽離子的結(jié)構(gòu)。目前，已報(bào)道的以硫?yàn)橹行牡?c3e鍵通常由自由基(陽離子)與R1—S—R2等硫醚類中性分子反應(yīng)形成，而自由基陽離子與R1—S—S—R2等含二硫鍵中性底物反應(yīng)形成2c3e鍵的相關(guān)研究較少。

水自由基陽離子H2O+·中的氧原子未配對(duì)的電子可以與一些中性分子中含孤對(duì)電子的原子作用，形成含2c3e鍵的水自由基陽離子復(fù)合物，如[H2O∴OH2]+、[H2O∴NH3]+、[H2O∴SH2]+等[17-19,24-25]。本研究以MeS-SMe(二甲基二硫)、EtS-SEt(二乙基二硫)、n-PrS-S-n-Pr(二丙基二硫)、i-PrS-S-i-Pr(二異丙基二硫)、t-BuS-S-t-Bu(二叔丁基二硫)等具有不同位阻的二硫中性底物為研究模型，擬結(jié)合直接質(zhì)譜分析技術(shù)和同位素標(biāo)記實(shí)驗(yàn)，研究位阻不同時(shí)二硫-水自由基陽離子復(fù)合物[RS-SR+H2O]+·(R=Me，Et，n-Pr，i-Pr，t-Bu)中2c3e鍵結(jié)構(gòu)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器與裝置

常壓化學(xué)離子源：江西省質(zhì)譜科學(xué)與儀器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自制；LTQ-MS線性離子阱質(zhì)譜儀：美國Thermo Fisher Scientific公司產(chǎn)品；數(shù)據(jù)采集及分析在Xcalibur程序上進(jìn)行。

1.2 主要材料與試劑

氘代水(D2O)(99.9%)、二甲基二硫、二乙基二硫、二丙基二硫、二異丙基二硫和二叔丁基二硫：純度>98%，北京百靈威科技有限公司產(chǎn)品；實(shí)驗(yàn)用水：由Millipore純水儀制備。

1.3 實(shí)驗(yàn)條件

自制APCI離子源；放電電壓2.3 kV；離子傳輸管溫度150 ℃；毛細(xì)管電壓1.0 V；透鏡電壓30.0 V；質(zhì)量掃描范圍m/z15～200。

2 結(jié)果與討論

2.1 H2O+·與CH3S-SCH3模型反應(yīng)的質(zhì)譜分析

參照文獻(xiàn)[25,28]的方法，使用雙通道裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在通道1中，采用能量可控的電暈放電技術(shù)對(duì)水的氣溶膠進(jìn)行電離，制備水自由基陽離子；在通道2中，通過載氣將樣品氣溶膠引入在線產(chǎn)生水自由基陽離子的三維空間。在線制備的H2O+·與CH3S-SCH3樣品在三維空間反應(yīng)后，直接進(jìn)入與雙通道裝置串聯(lián)的質(zhì)譜儀進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)與分析。在線制備的H2O+·與CH3S-SCH3反應(yīng)得到m/z112 ([CH3S-SCH3+H2O]+·，M1+·)，示于圖1a。H2O+·中O上的單電子與CH3S-SCH3中S的孤電子對(duì)相互作用形成σ半鍵(2c3e鍵)，推測(cè)復(fù)合物離子m/z112中2c3e結(jié)構(gòu)為[CH3(CH3S)S∴OH2]+·。由于2c3e鍵的鍵級(jí)為0.5，斷裂所需的能量比常規(guī)σ鍵低，在串聯(lián)質(zhì)譜中優(yōu)先發(fā)生解離，該位點(diǎn)相關(guān)的碎片離子相對(duì)含量更高[4]。若H2O+·與CH3S-SCH3反應(yīng)得到的復(fù)合離子m/z112中2c3e鍵為[S∴O]+鍵(即半鍵在S與O之間)，[S∴O]優(yōu)先斷裂，丟失H2O，得到[CH3S-SCH3]+·(m/z94)。

為進(jìn)一步探究m/z112(M1+·)中2c3e鍵的結(jié)構(gòu)，對(duì)其進(jìn)行碰撞誘導(dǎo)解離(CID)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果示于圖1b。值得注意的是，當(dāng)CID能量為16%時(shí)，M1+·的主要裂解產(chǎn)物離子是m/z65(母離子丟失CH3S·(47 u))和m/z66(母離子丟失CH2=S(46 u))。選擇碎片離子m/z65和m/z66進(jìn)行CID實(shí)驗(yàn)，分別丟失1分子H2O得到m/z47[CH2=SH+]、m/z48[CH3SH+·]，推測(cè)m/z65和m/z66分別為[CH3SOH+H]+和[CH3SH+H2O]+·，示于圖1c。由此表明，在串聯(lián)質(zhì)譜中，復(fù)合物(m/z112)的S—S鍵優(yōu)先于S—O鍵斷裂，M1+·(m/z112)中2c3e結(jié)構(gòu)不是[S∴O]鍵，而是[S∴S]鍵。

圖1 常壓下H2O+·與CH3S-SCH3在線反應(yīng)的質(zhì)譜圖(a)，以及M1+·的二級(jí)(b)和三級(jí)(c)質(zhì)譜圖Fig.1 Mass spectrum of reaction between H2O+· and CH3S-SCH3 at ambient condition (a), MS/MS (b) and MS/MS2 (c) spectra of M1+·

2.2 氘代水同位素標(biāo)記實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證上述結(jié)論，進(jìn)行了同位素標(biāo)記實(shí)驗(yàn)。

相同條件下，用D2O代替H2O，在線制備D2O+·。D2O+·與CH3S-SCH3反應(yīng)得到m/z114([CH3S-SCH3+D2O]+·，M2+·)，示于圖2a。由于實(shí)驗(yàn)是在敞開環(huán)境中進(jìn)行的，空氣中的H2O會(huì)與反應(yīng)體系中的D2O發(fā)生交換，產(chǎn)生m/z112(M1+·)。當(dāng)CID能量為21%時(shí)(圖2b)，m/z114 (M2+·)裂解產(chǎn)生的主要離子為m/z66(母離子丟失CH2DS·(48 u))和m/z68(母離子丟失CH2=S(46 u))。m/z66、68分別丟失1分子HOD(19 u)得到子離子m/z47[CH2=SH+]、m/z49[CH3SD+·]，示于圖2c。由此可知，m/z66和m/z68分別為[CH3SOD+H]+和[CH3SD+HOD]+·，且均為M2+·中二硫鍵斷裂的產(chǎn)物。由串聯(lián)質(zhì)譜結(jié)果推測(cè)，M2+·復(fù)合物中發(fā)生了S—S鍵斷裂，且S—S鍵優(yōu)先于S—O鍵斷裂，M2+·(m/z114)中的2c3e結(jié)構(gòu)不是[S∴O]鍵，而是[S∴S]鍵。

圖2 常壓下D2O+·與CH3S-SCH3在線反應(yīng)的質(zhì)譜圖(a)，以及M2+·的二級(jí)(b)和三級(jí)(c)質(zhì)譜圖Fig.2 Mass spectrum of reaction between D2O+· and CH3S-SCH3 at ambient condition (a), MS/MS (b) and MS/MS2 (c) spectra of M2+·

2.3 不同位阻二硫-水自由基陽離子復(fù)合物的質(zhì)譜研究

當(dāng)二硫化物的取代基為位阻較小的甲基時(shí)，H2O+·中O上的單電子與CH3S-SCH3中S的孤對(duì)電子發(fā)生作用，形成含[S∴S]鍵的自由基化合物。為進(jìn)一步探究此問題，考察了乙基、丙基、異丙基和叔丁基4種基團(tuán)對(duì)[RS-SR+H2O]+·中2c3e鍵結(jié)構(gòu)的影響。

當(dāng)取代基為位阻較小的乙基時(shí)，H2O+·與CH3CH2S-SCH2CH3反應(yīng)生成m/z140([CH3CH2S- SCH2CH3+H2O]+·，M3+·)，示于圖3a。M3+·裂解產(chǎn)生的主要子離子有m/z61[CH3CH=SH+](母離子丟失CH3CH2S·+H2O(79 u))、m/z62[CH3CH2SH+·](母離子丟失CH3CH=S+H2O(78 u))、m/z79[CH3CH2SOH+H]+(母離子丟失CH3CH2S·(61 u))和m/z80[CH3CH2SH+H2O]+·(母離子丟失CH3CH=S(60 u))，示于圖3b、3c。這4種離子均為自由基離子復(fù)合物二硫鍵斷裂的產(chǎn)物，且CH3CH=SH+、CH3CH2SH+·的相對(duì)豐度明顯低于[CH3CH2SOH+H]+和[CH3CH2SH+H2O]+·。綜合串聯(lián)質(zhì)譜數(shù)據(jù)，可推斷復(fù)合物M3+·(m/z140)裂解時(shí)S—S鍵比S—O鍵優(yōu)先斷裂，M3+·(m/z140)中2c3e結(jié)構(gòu)應(yīng)該是[S∴S]鍵，而不是[S∴O]鍵。

圖3 常壓下H2O+·與CH3CH2S-SCH2CH3在線反應(yīng)的質(zhì)譜圖(a)，以及M3+·的二級(jí)(b)和三級(jí)(c)質(zhì)譜圖Fig.3 Mass spectrum of reaction between H2O+· and CH3CH2S-SCH2CH3 at ambient condition (a), MS/MS (b) and MS/MS2 (c) spectra of M3+·

當(dāng)取代基為丙基時(shí)，H2O+·與CH3(CH2)2S-S(CH2)2CH3反應(yīng)生成復(fù)合物離子m/z168([CH3(CH2)2S-S(CH2)2CH3+H2O]+，M4+·)，示于圖4a。M4+·發(fā)生二硫鍵斷裂產(chǎn)生離子m/z75[CH3CH2CH=SH+](母離子丟失CH3CH2CH2S·+H2O(93 u))、m/z76[CH3CH2-CH2SH+·](母離子丟失CH3CH2CH=S+H2O(94 u))、m/z93[CH3(CH2)2SOH+H]+(母離子丟失CH3CH2CH2S·(75 u))和m/z94[CH3(CH2)2SH+H2O]+·(母離子丟失CH3CH2CH=S(74 u))，示于圖4b、4c。此外，還產(chǎn)生m/z74、108等豐度較低的離子，主要涉及S—S、S—C骨架鍵的斷裂，以及分子重排、H自由基轉(zhuǎn)移等化學(xué)過程。未明顯發(fā)現(xiàn)[S∴O]+鍵斷裂產(chǎn)生的產(chǎn)物離子m/z150[CH3(CH2)2S-S(CH2)2CH3]+·，其相對(duì)強(qiáng)度遠(yuǎn)低于[S∴S]+鍵斷裂的產(chǎn)物離子。

當(dāng)取代基為異丙基時(shí)，H2O+·與(CH3)2CHS-SCH(CH3)2反應(yīng)生成m/z168([CH3(CH2)2S-S(CH2)2CH3+H2O]+，M5+·)，示于圖4d。M5+·與M4+·的分子質(zhì)量相同，但在相同能量(CE 23%)下，二者產(chǎn)生的子離子明顯不同，分別示于圖4b、4e。其中，圖4b中相對(duì)豐度最高的碎片離子是m/z108，而圖4e中相對(duì)豐度最高的碎片離子是m/z150，均由M5+·離子丟失H2O得到。圖4e中相對(duì)中等強(qiáng)度的離子m/z126和m/z108主要經(jīng)過S—C骨架鍵的斷裂、分子重排和H自由基轉(zhuǎn)移等化學(xué)過程得到。M5+·裂解產(chǎn)物中，S—S鍵斷裂得到的產(chǎn)物離子m/z74的相對(duì)豐度明顯小于S—O鍵斷裂的產(chǎn)物m/z150。因此，二硫化物取代基位阻較大的M5+·復(fù)合物裂解時(shí)，S—O鍵優(yōu)先于S—S鍵斷裂。當(dāng)二硫化物取代基的位阻進(jìn)一步增大時(shí)(取代基為叔丁基)，叔丁基二硫-水自由基陽離子復(fù)合物([(CH3)3CS-SC(CH3)3+H2O]+·，M6+·)裂解時(shí)，S—O鍵斷裂產(chǎn)生的m/z178碎片離子強(qiáng)度遠(yuǎn)高于S—S鍵斷裂的產(chǎn)物離子強(qiáng)度，示于圖5。因此，當(dāng)二硫化合物取代基位阻較大時(shí)，二硫-水自由基陽離子復(fù)合物中2c3e結(jié)構(gòu)應(yīng)是以[S∴O]鍵為主。

圖4 常壓下H2O+·與CH3(CH2)2S-S(CH2)2CH3(a)和 (CH3)2CHS-SCH(CH3)2(d)反應(yīng)的質(zhì)譜圖，M4+·(b)和M5+·(e)的二級(jí)質(zhì)譜圖，M4+·的三級(jí)質(zhì)譜圖(c)及主要碎裂離子結(jié)構(gòu)圖(f)Fig.4 Mass spectra of reaction between H2O+· and CH3(CH2)2S-S(CH2)2CH3(a), (CH3)2CHS-SCH(CH3)2(d) at ambient condition, MS/MS spectra of M4+·(b) and M5+·(e), MS/MS2 spectrum of M4+·(c), and structures of main product ions(f)

圖5 常壓下H2O+·與(CH3)CS-SC(CH3)3在線反應(yīng)的質(zhì)譜圖(a)和m/z 196的二級(jí)質(zhì)譜圖(b)Fig.5 Mass spectrum of reaction between H2O+· and (CH3)CS-SC(CH3)3at ambient condition (a), MS/MS spectrum of m/z 196 (b)

自由基離子復(fù)合物的氣相解離行為與復(fù)合物中取代基密切相關(guān)，其原因可能有2種：1) 取代基的電子效應(yīng)。缺電子的水自由基陽離子靠近二硫化物中含孤對(duì)電子的硫時(shí)，給電子效應(yīng)相對(duì)較強(qiáng)的叔丁基(相對(duì)甲基、乙基等)增加了硫原子周圍的電子云密度，穩(wěn)定了S原子上的單電子，使得復(fù)合物中S—S鍵更穩(wěn)定；2) 取代基的位阻效應(yīng)。高位阻的取代基阻礙了缺電子的水自由基陽離子進(jìn)一步靠近二硫化物中的S原子，使得復(fù)合物中O與S的距離更遠(yuǎn)，2個(gè)原子間的作用力更弱。因此，當(dāng)取代基為異丙基、叔丁基等給電子效應(yīng)較強(qiáng)的高位阻基團(tuán)時(shí)，復(fù)合物中半鍵在S與O之間，即2c3e鍵是以[S∴O]鍵為主。當(dāng)取代基為甲基、乙基、丙基等位阻相對(duì)較低的基團(tuán)時(shí)，水自由基陽離子進(jìn)一步靠近二硫化物中S原子的阻礙降低，形成較穩(wěn)定的S—O鍵(S—O鍵的穩(wěn)定性高于S—S鍵)，復(fù)合物中半鍵在2個(gè)S原子之間，即2c3e鍵是以[S∴S]鍵為主。

3 結(jié)論

本文通過質(zhì)譜法研究了二硫化物取代基位阻不同時(shí)，二硫-水自由基陽離子復(fù)合物中2c3e鍵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。結(jié)果表明，當(dāng)二硫化物取代基為甲基、乙基、丙基等位阻較小的基團(tuán)時(shí)，二硫-水自由基陽離子復(fù)合物中2c3e鍵以[S∴S]鍵為主；當(dāng)二硫化物取代基為異丙基、叔丁基等位阻較大的基團(tuán)時(shí)，以[S∴O]鍵為主。由此可見，結(jié)構(gòu)環(huán)境的不同對(duì)自由基結(jié)構(gòu)的性質(zhì)有著重要影響，本研究有助于理解與2c3e鍵有關(guān)的化學(xué)反應(yīng)和生物體中自由基傳遞過程機(jī)理。