（化学专业论文）基于解离质子化位点和离子中性复合物中间体介导的质谱反应研究.pdf

浙江大学硕十学位论文 摘要 离子中性复合物是气相离子反应中的一类重要中间体，往往被用来解释有 机质谱的单分子碎裂反应中一些特殊的丢失现象。而在电喷雾串联质谱 ( e s i m s n ) 中，离子中性复合物中间体通常又是通过质子迁移产生的。为了 系统地研究由质子迁移产生的离子中性复合物中间体，我们选取了两个系列的 a 一芳甲基，苄基醚化合物叫一呋喃甲基苄基醚和4 叫肛二甲基苄基一苄基醚 作为模型化合物，考察了其在电喷雾串联质谱中的碎裂行为，特别关注了甲醛 中性丢失这个特殊的裂解现象。通过同位素实验和模拟计算等方法以及对于碎 裂能量和取代基效应的研究提出并验证了其反应机理：质子化首先发生在热力 学最稳定的位点醚键的氧原子上；然后质子由初始质子化位点迁移到解离 质子化位点上，如呋喃环或者4 一 ； l 二甲基苄基的c a ；随着c c 共价键的拉 长，产生了一个离子中性复合物中间体，特殊的甲醛中性丢失就是由这个离子 中性复合物中间体的进一步碎裂产生的。 关键词：离子中性复合物、解离质子化位点、同位素标记实验、计算化学、取 代基效应、甲醛丢失、a 一呋喃甲基苄基醚、4 州肛二甲基苄基一苄基醚 浙江大学硕一 ：学位论文 a b s t r a c t i o n n e u t r a lc o m p l e x e s ，嬲ak i n do fi m p o r t a n ti n t e r m e d i a t ei ng a sp h a s e r e a c t i o n ，a reu s u a l l ys u g g e s t e dt oe x p l a i nan u m b e ro fo t h e r w i s ep u z z l i n gr e a c t i o n s o fi o n si nt h eg a sp h a s e i ne s i m s m se x p e r i m e n t ，i o n n e u t r a lc o m p l e x e so f t e n r e s u l tf r o md i s s o c i a t i v ep r o t o n a t i o n i no r d e rt os t u d yi o n - n e u t r a lc o m p l e xr e s u l t i n g f r o md i s s o c i a t i v e p r o t o n a t i o n , t w o s e r i e so f a a r o m a t i c m e t h y lb e n z y le t h e r c o m p o u n d s ，n a m e l y ,n f u r a n y l m e t h y lp s u b s t i t u t e d b e n z y l e t h e r sa n d 4 - n , n - d i m e t h y l b e n z y lp - s u b s t i t u t e d - b e n z y le t h e r s ，a r ei n v e s t i g a t e db ye s i - m s m s t h el o s so fc h 2 0d u r i n gm a s ss p e c t r o m e t r yi nt h et w os e r i e so fc o m p o u n d si s p a r t i c u l a r l yi n t e r e s t i n g t h ef r a g m e n t a t i o nm e c h a n i s mi sp r o p o s e dt oi n v o l v ea n i o n - n e u t r a l c o m p l e x - - m e d i a t e dp a t h w a y s p e c i f i c a l l y , b e f o r e t h ef o r m a t i o no fa n i o n n e u t r a li n t e r m e d i a t e ，t h ep r o t o ni st r a n s f e r r e df r o mt h et h e r m o d y n a m i c a l l y f a v o r e ds i t ea te i t h e rt h ee t h e ro x y g e na t o mo rt h en i t r o g e na t o mt ot h ed i s s o c i a t i v e p r o t o n a t i o ns i t ea tc ap o s i t i o ni ne i t h e rt h ef u r y lg r o u po rt h e4 - n , n - d i m e t h y l p h e n y l g r o u p t h i st r a n s f e rh a sb e e nc l a r i f i e dv i ac o m p u t a t i o n a ls t u d i e sa n di s o t o p i c a l l y l a b e l e de x p e r i m e n t s i na d d i t i o n ，t h ed e c o m p o s i t i o no ft h ei n t e r m e d i a t em a yb e a f f e c t e db yt h es u b s t i t u e n tg r o u p so nt h ep h e n y lr i n g t h i sc o n c l u s i o ni si n d i c a t e db y t h e r e a s o n a b l yg o o d c o r r e l a t i o n b e t w e e n l n ( m + h c h 2 0 + ) ( m + h c h 2 0 c 6 h 5 r + ) a n dt h es u b s t i t u e n tc o n s t a n t s k e y w o r d s ：i o n - n e u t r a lc o m p l e x ，d i s s o c i a t i v ep r o t o n a t i o n ，i s o t o p i c a l l yl a b e l e d e x p e r i m e n t ，c o m p u t a t i o n a lc h e m i s t r y ，s u b s t i t u e n te f f e c t ，l o s s o fc h 2 0 ， 0 t - f u r a n y l m e t h y l8 e n z y le t h e r , 4 一n n - d i m e t h y l b e n z y lb e n z y le t h e r s l l 浙江大学硕上学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝鎏盘堂或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：毒1i 描马亟签字r 期：土乡p 年，月踏日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿态茔有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅 和借阅。本人授权滥姿盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：s 卅以苞 导师签名： 签字日期： 中年月绣e l 学位论文作者毕业后去向：朱爱 工作单位： 通讯地址： 一5 3 一 签字日期：矽7 。年，月哆日 电话： 邮编： 浙江大学硕十学位论文 第1 章离子中性复合物和解离质子化位点 1 1 离子中性复合物 1 9 5 6 年，r y l a n d e r 和m e y e r s o n 首次提出了一个“离子中性复合物 的概 念 1 】。他们在研究异丙基苯离子的气相裂解反应中，发现了一个乙烯的中性丢 失，但是这个特殊的中性乙烯丢失无法用简单的碎裂机理或者重排机理解释。 因此，他们通过同位素标记实验及质谱结果，提出了一条可能的裂解机理( 图 1 1 ) ：即最初的分子离子结构通过氢原子迁移异构化，产生了一个中性环丙烷 和苯基离子的复合物中间体，这个中间体的进一步碎裂导致了乙烯的丢失。 q 一9 9 穴心专心。t ”c 心2 h 、心胄心吖h 2 飞川 图1 1 异丙基苯离子中乙烯丢失的碎裂机理 从此以后，离子中性复合物( i n c ) 这个概念 2 4 ，作为一种气相单分子 离子反应的中间体，被广泛地用来解释一些奇妙的气相裂解反应。与简单的断 裂、重排或者一些其它中间体的反应不同，离子中性复合物这种中间体给包含 它的气相分子离子碎裂反应中弓i 入了双分子反应的性质。当气相分子离子中的 某个共价键被打破时，会产生离子部分和中性部分两个碎片。在特定的条件下， 中性的分子碎片通过静电力仍然与离子部分连接在一起，就产生了离子中性复 合物。离子中性复合物的两部分虽然通过静电力这种弱相互作用连接，但是每 部分又保持了各自的独立性。因此通过这样一种中间体，可以使一些只能发生 在双分子反应中的离子分子反应过程发生在单分子碎裂中。此外，这种包含了 离子中性复合物中间体的裂解过程的最终产物也是由离子中性复合物的性质控 制的。 离子中性复合物一般被认为其寿命足够长，而不是一个稍纵即逝的中间体 结构。离子中性复合物一般满足其中的一部分可以相对于另一部分自由转动， 而不是两部分保持着同样的运动方式。离子中性复合物一般可以引发一些复杂 的气相反应，而不是其离子部分和中性部分简单地分裂。这些性质通常作为判 一1 一 浙江大学硕士学位论文 断离子中性复合物的简单标准【5 6 】。 b o w e n 指出了三个影响了离子中性复合物的寿命、势能和动能的因素【7 】。 第一个因素是稳定化能e 。，它直接反映了连接两部分间的离子偶极引力的强度。 这个能量取决于偶极矩( i x d ) 和离子部分所带的电荷( q ) 。具体可以用下面的公式 表示： e = - t d q c o s o r 2 一a q 2 ( 2 r 4 ) + r ( q t u r 2 ) 上式中q 是离子部分所带的电荷，“d 是中性部分的偶极矩，r 是点电荷和 点偶极子之间的距离，0 是偶极与点电荷到偶极的坐标之间的夹角，仅是中性部 分的分子极化率。通常来说，离子中性复合物的中性部分满足p d = ( 5 0 8 3 ) 1 0 枷cm ，稳定化e 。在5 0 8 0k j m o l 的范围内。 第二个因素就是离子异构化( r + 一r + ) 释放出来的能量h r 。异构化一般 是一个放热反应。第三个因素是复合物两部分之间质子转移的焓的变化h p 。 这个常数与两部分的质子亲和势的差异相对应。 迄今为止，离子中性复合物中间体反应可以大致分为以下几类：( 1 ) 氢迁 移和相关反应。( 2 ) 阳离子迁移反应。( 3 ) 重排反应。下面我们详细阐述一下 这三类反应。 1 1 1 氢迁移 离子中性复合物中间体反应中最常见的中间过程就是单一氢迁移。氢迁移 一般是热力学控制的，通常情况下，复合物中每一部分的相对质子亲和势不会 完全相同，因此复合物内部的氢交换在理论上是完全可行的。氢迁移不仅可以 从初始位置到迁移到附近的键断裂的位点，还可以迁移更远的距离，例如y 位 点 8 】。举例来说，在仲胺分子离子的碎裂中，键的断裂产生了由一个氢桥连接 的烷基胺的离子中性复合物，这个复合物通过实验方法和计算方法都得到了证 明 9 1 0 1 。复合物中的胺部分，有着相对更高的质子亲和势，使得氢更喜欢朝这 一部分迁移。c d e n e k a m p 和a s t a n g e r 研究了烷基安息香酸盐的多位点质子 化裂解和取代基效应【1 1 ，发现产物比例取决于苯环对位的取代基性质。取代 基效应很可能是取代基影响了离子中性复合物中i 可体内两部分相对的质子亲和 势，从而进一步影响了产物离子的比例。 一2 一 浙江人学硕上学位论文 州3 c h c h ? 一佣2 c 。i c h 2 c 巷h f - 明3 c h 。严c - 1 一 f ，1ll 2 c 。 芦c l ：+ 芋；昌宣l h l 一 c h 3 c h j 、 l2hooh o h c h斗、o hj c h 3 c h jl 2 j ( ) h ， c h 3 c ：+ c h 2 +、卜c h - ( ) h c h 2 。m c i a f f e r t y - f - 1 i o n 图1 - 2 “m c l a f f e r t y + 1 ”离子生成的碎裂机理 除了单一氢迁移，在众多的离子中性复合物中间体反应中还能发现一些其 它方式的氢迁移。双氢迁移尽管没有单一氢迁移常见，但是它们却更加经典。 在羰基化合物的质谱学研究中【1 2 】，经常可以发现“m c l a f f c r t y + 1 的峰( 图 1 2 ) ，这些碎片离子是由稳定的烯丙基自由基丢失产生的，这个丢失是热力学 控制的反应。 o l r 删+ e 。 、 o - c ! ，厂o 百 司 芦丫”八( c h 2 ) 厂 v m z 2 7 7 l a 呦厂 la 8 i 旦澎羔 、( c h z ) r 一硝 【v r 1 6 ) 严、+ p 、c 2 厂 弋 8 s c h e m e3 f o r m a t i o no f 扪e n o l a t ea n i o nb yad o u b l e h y d r o g e nm i g r a t i o n ( p a t h w a y b 1 a n dp h e n y la n i o nb yas i n g l eh y d r o g e n m i g r a t i o n ( p a t h w a y a 1 图1 3o 烷基醚在碰撞诱导解离条件下的碎裂机理 最近还有一些关于双氢迁移的研究。a b a t t y g a l l e 等人发现了o - 烷基醚在 碰撞诱导解离条件下一个特殊位点的双氢迁移现象 1 3 。烷氧基苯基阴离子通 过一个苯环的丢失形成了一个烯醇式的阴离子，氘代实验验证了两个氢原子是 一3 一 hc+ c 0 o h h h 、 c c 呦 ， 斜 忉 r i 浙江大学硕上学位论文 从烷基链的1 位和2 位迁移到中性丢失的苯环上。在第一个氢迁移之后，形成 了一个离子中性复合物，这个复合物既可以直接分裂成苯基阴离子和中性羰基 化合物的丢失，也可以通过c 2 位置的氢原子迁移形成一个烯醇阴离子和中性 的苯环丢失。在氘代实验中，当第一个氘原子从c 一1 位置进行氢迁移时，会产 生显著的第一动力学同位素效应，与c 2 位置的氢迁移中相对弱的动力学同位 素效应相比，第一次的氢迁移是反应中的决速步骤。 此外，离子中性复合物中间体反应中还可以见到一些互相作用的氢迁移现 象 1 4 】。类似的热中性氢迁移可以在阳离子部分和中性部分的不止一个位点间 进行迁移，这种可逆的氢交换为中性部分的异构化提供了一条可行的途径。另 外，三氢迁移尽管非常稀少，但是也可以发生 1 5 。 1 1 2 阳离子迁移 与质子迁移反应类似，一个小的烷基中碳阳离子可以由离子部分转移到中 性碎片中 1 6 1 。举例来说，在氧绘离子的碎裂反应中【1 7 】，c h 3 + 的迁移产生了一 个新的中间体，在这个中间体中，离子部分在迁移后连接在两个中性部分之间。 相关中性部分的甲基阳离子亲和势 1 8 1 决定了最终产物离子的强度。 r s z m i g i e l s k i 和w d a n i k i e w i c z 研究了e i 诱导的n 烷甲氧基内酰胺和磺 内酰胺的碎裂机理 1 9 】。被研究的化合物中的质谱主要碎裂就是甲醛分子丢失。 其中中性甲醛有可能是通过两条不同的途径丢失的。对于内酰胺来说，会发生 烷甲氧基内的氢重排，这个氢重排导致了相应的n 甲基衍生物的生成。而对于 磺内酰胺来说，甲基通过离子中性复合物中间体迁移到氮原子和氧原子上。具 体的裂解途径见图1 4 。 8r 2 c h 3 9r 2c 2 h ， 图l _ 4n 烷甲氧基内酰胺和磺内酰胺的碎裂机理 一4 一 n 弋r吁畸 ， a b 、 老弋叩 a 么 孓n ：噬 浙江大学硕士学位论文 1 1 3 重排 离子中性复合物也调节了一些异构化过程 2 0 1 ，这些异构化过程也是重要 的气相反应。 在离子化的乙烯基乙二醇碎裂反应中 2 1 1 ，产生了一个离子中性复合物， 其中中性部分促进了离子部分的异构化。这一有趣的现象激发了研究人员对于 这种复合物中中性部分所扮演角色探究的兴趣。这种中性分子的氢传输催化现 象在许多双分子反应都非常常见 2 2 1 。这个异构化过程包括了离子中性复合物 中的亲电芳香取代。对于一些包含了苄基的分子，通过最初的化学键的断裂生 成的苄基阳离子可以攻击分子另一边的芳香基团，产生最后的丢失 2 3 1 。 1 1 4 其它 除了上面我们讨论过的离子中性复合物外，还存在一些其它特殊类型的离 子中性复合物，本课题组最近的工作中就报道了两类特殊的离子中性复合物类 型：负氢迁移和电荷迁移。 柴云峰等 2 4 以n 苄基哌啶和n 苄基哌嗪为模型化合物，系统地研究了电 喷雾质谱中罕见的离子中性复合物介导的氢负离子转移反应。通过理论计算和 取代基效应的研究，证实了在这类化合物的碎裂反应中存在离子中性复合物， 并且该离子中性复合物的稳定性决定了产物离子的分布。 4 - in c 1 t r a n s f e r 图1 5n 苄基哌啶和n 苄基哌嗪的碎裂机理 a m z9 1 h 二0 b m z8 4 胡楠等 2 5 研究了苯磺酰胺类化合物的质谱裂解反应。在质子化的苯磺酰 胺离子质谱裂解反应中，可以观察到一个奇电子离子产物：苯磺酰胺通过苯磺 酰自由基的丢失，产生了一个苯胺的自由基离子。质子化发生在氨基的氮上， 一5 一 浙江大学硕十学位论文 因此氮硫键的极性很大，很难发生均裂。通过理论计算和取代基效应的研究， 证明了无论是苯磺酰基自由基还是苯胺都很容易受到攻击从而丢失一个电子， 在离子中性复合物内发生的电荷迁移反应导致了奇电子离子的生成。 s e p a r a l i o n c h a r g e t r a il s f e r 岔。2h 式旬 1 2 解离质子化位点 图1 - 6 苯磺酰胺的碎裂机理 在众多的化学和生物学系统中，质子化作用是一个包含了质子迁移和氢连 接 2 6 2 7 的基元反应。在过去的四十多年中，研究者对各种分子的质子化研究 做出了巨大的贡献，这些分子小到一氧化碳 2 8 3 1 ，大到多肽和蛋白质 3 2 3 6 】。 对于多官能团的分子，质子化可能在不同的位点上，产生不同结构的分子离子。 基于分子的固有性质，质子化在热力学最稳定的位点会产生最稳定的分子离子， 热力学最稳定的质子化位点可以用质子亲和势( p a ) 3 7 表示，并可以通过质 谱测量 3 8 4 0 。在特定的条件下，质子化位点还可以通过很多其他方法来测定， 比如紫外光谱法和核磁共振法。但是，在一些情况下，一个分子在液相中与在 气相中有着不同的最稳定质子化位点 4 1 4 3 】。更有趣的是，用质谱法进行研究 时，个分子可能不是在能量最有利的位点质子化 4 4 4 7 ，这反映了不仅热力 学，动力学也一起影响了质子化的过程 4 8 5 1 。 质谱在气相条件下的分子质子化的基础研究中扮演了一个重要的角色。另 一方面，质子化在应用质谱解释化合物结构中也有着重要的作用。通常来说， 分子由质子化作用带电，进入质谱分析，从而得出结构信息。在解释分子离子 的碎裂之前，研究者一般会先去寻找分子离子的质子化位点，因为通常来说， 质谱碎裂都是由质子化引入的电荷直接引发的 5 2 。不论是传统的化学电离， 还是现在流行的电喷雾电离，质子化时，外来的质子一般都是依附在一个特定 一6 一 浙江大学硕十学位论文 位点，从而产生特定的占统治地位的分子离子结构。但是，有些时候，主要的 碎裂反应不是由占统治地位的分子离子直接碎裂产生的，而是质子迁移到其它 位点再碎裂产生的。作为一个典型的离子，酰胺类化合物的质子化被证明过是 在羰基的氧原子上 5 3 5 6 。然而相反的是，尽管质子化在氮原子上的结构比质 子化在氧原子上的结构能量高出1 4 3 k c a l m o l ，酰胺类化合物分子离子的主要裂 解碎片却是只有质子化在酰胺的氮原子上时才能发生的中性胺丢失。对于甲酰 胺来说，这两个异构体之间的能垒更高【5 7 】。根据这个现象，一个“流动的质 子模型 被提出 5 8 6 2 ，用来描述质子在分子离子结构中的迁移，这个模型现 在被广泛地应用在多肽和蛋白的质谱学研究中。 酰胺不仅是多肽的基本单元，更是许多药物分子的重要官能团。比如，盘 尼西林就含有两个酰胺键。在盘尼西林分子离子的电喷雾质谱碎裂中，最主要 的碎片是由p 内酰胺键的断裂产生的 6 3 6 4 ，这需要质子化在内酰胺的氮原子 上。对于a ，1 3 不饱和酰胺来说，另一个碎裂反应则需要质子化在q 碳原子上。 一种新的治疗高血脂的药物阿托伐他汀，是一个苯胺连接着中, t 二, n t - l z 咯环结 构的化合物。在对它的分子离子碰撞诱导解离实验中，基峰是由苯基异氰酸酯 的丢失产生的 6 5 6 6 。通过研究一系列与阿托伐他汀的仅，p 不饱和酰胺部分 结构非常类似的苯甲酰胺类化合物，可以发现氰酸酯的丢失需要质子化在a 碳 原子上 6 7 】。众所周知，苯甲酰胺质子化优先在羰基的氧原子上 6 8 6 9 。因为 单独的酰胺的质子亲和势至少比苯环的质子亲和势大1 7k c a l m o l ，从质子化在 氧原子的分子离子结构异构化到质子化在0 【碳原子的共振结构是另一个吸热的 过程 7 0 】。但是，这个质子迁移的过程仍然先于异氰酸酯的丢失发生。类似于 酰胺键断裂中酰胺上的氮原子和a ，d 不饱和酰胺丢失异氰酸酯反应中的0 【碳 原子的这些位点被称之为解离质子化位点。质子化在这些位点的共振结构不需 要异构化就可以发生碎裂反应。这些位点不一定是最稳定的质子化位点，但是 确实发生在分子离子中，并导致了质谱中的碎裂反应。 本课题组的质谱研究中也一直着眼于基础的气相质子化研究，并报道了一 些解离质子化位点现象。 胡楠等 7 1 1 以查尔酮为模型化合物，研究了质子化的查尔酮系列化合物的 气相离子化学反应，对其质子化位点以及质子在不同位点之间的转移进行了系 一7 一 浙江大学硕十学位论文 统研究，通过实验设计及理论计算证明了目前国际上“解离的质子化位点”这 一新颖的理念，研究表明质子会从热力学最稳定的位点转移到诱导解离的位点， 进一步的裂解过程受质子转移反应的约束。 ，o + h 7 m h 1 r o m h 2 上 o r o m h 3 上 o 图1 7 查尔酮系列化合物的碎裂机理 b r 蒋可志等 7 2 】以苯撑肼基二硫代碳酸甲酯为模型化合物，研究了质子化的 苯撑肼基二硫代碳酸甲酯系列化合物的气相离子化学反应，对其质子化离子在 碰撞诱导解离( c i d ) 过程中的碎裂反应机理进行了系统研究，通过实验设计及 理论计算提出了目前国际上“双氢迁移裂解”这一新颖的理念，研究结果表明 j i - d h 质子和分子内酰胺氢在c i d 过程中都能发生迁移，模型化合物质子化离子 的碎裂是由上述两个质子协同迁移的结果。 一8 一 浙江大学硕上学位论文 2 孙嘭n n 3 7 c i d |h 、 f p h1 | 3 c 备3 + 867 h s c h 3 图1 8 苯撑肼基二硫代碳酸甲酯的碎裂机理 1 3 计算化学在气相反应研究中的应用 + 8 5 h ，s 7 6 ， 一s 自二十世纪的最后二十多年以来，计算化学的巨大进步成为了许多化学学 科飞速发展的重要因素。现代化学中的许多科研成果都是实验技术和理论计算 相结合的重要结果。因此，现今量子化学成为了化学研究中一个重要的辅助手 段。计算化学因为其标准的程序和电脑技术的飞速发展，已被很多领域的研究 人员广泛使用。 从某些角度来说，气相离子化学几乎代表了一个理想的状态 7 3 】，这是因 为这一领域研究所使用的大部分实验技术都需要在非常低的压强下进行，也就 是说真实的实验条件与真正的独立体系是非常接近的，而这个独立体系正是分 子轨道( m o ) 或者密度泛函( d f t ) 计算的基础。 最近的一篇发表在i j m s 上的文章 7 4 指出，气相离子化学理论的重要性反 映了气相离子化学领域中理论结合实验的重要作用，结合质谱技术与飞速发展 的理论分析手段可以帮助我们解决很多问题，这包括( 1 ) 研究一些显然违背了 已经建立好了的成键规则的新结构的性质；( 2 ) 预测潜在的稳定异构体：( 3 ) 评估这些结构的相对稳定性；( 4 ) 通过详细的拓扑学分析相应的势能面研究可 能的反应机理；( 5 ) 评估中间体或者是一些难以由实验手段得到的短寿命的结 一9 一 浙江大学硕上学位论文 构的生成热；( 6 ) 计算相对酸所对应的气相结构的气相碱度。 1 4 同位素标记在气相反应研究中的应用 同位素标记实验在化学反应机理研究中一直占有重要的地位，特别是在气 相裂解反应的研究中。在研究离子中性复合物中间体反应中，同位素标记实验 更是有着不可替代的作用，第一个离子中性复合物中间体的提出就应用了同位 素标记的实验方法 7 5 】。 在最近的气相反应研究中，氘代实验也常常被用来验证反应机理。v a n b e e l e n 等人发现【7 6 】，溶解在氘代试剂( 氘代甲醇、氘代乙腈、氘代丙酮和氘 代吡咯) 中的丙羧基吡啶在质谱中会产生依附氘离子的分子离子 m + d 】+ ，这 个离子在质谱碎裂中只产生了丙烯的丢失。这个实验结果表明在中性的丙烯丢 失之前，质子化的氘并没有与丙烷上的氢进行交换。选择在丙烷上不同位点氘 代实验指出，对于2 位的异构体，分子离子可以在碎裂前生成一个丙烯基离子 和2 氘吡啶的离子中性复合物中间体。对于4 位的异构体，实验结果指出除了 形成离子中性复合物中间体之外，还可以观察到同过1 ，2 消除丢失中性丙烯 的碎片。如果丙氧基在3 位，会产生两性离子。 + 声d 3 c h , c h 3 o d + c “l i h 5 0 q 洲一 图i - 9 同位素标记的丙羧基吡啶的质谱碎裂机理 1 5 取代基效应研究在气相反应研究中的应用 1 9 5 9 年，m c l a f f e r t y 7 7 首次发现了质谱中的离子丰度与取代基常数有关。 他将取代基效应从普通的液相化学反应拓展到气相反应范围，并研究了一系列 一1 0 一 卜 一 嘞 垃 夕 q 。 q 。 浙江大学硕十学位论文 不同取代基取代的苯甲酰类衍生物的取代基效应。最基本的取代基常数可以用 下面的计算公式表示： 0 x = l o g k x l o g k h 上式中。为哈密特常数，为苯甲酰胺在2 5 的水溶液中的电离常数，k x 是相应的间位或者对位取代的苯甲酰胺的电离常数。以所研究的苯甲酰类衍生 物的。为横坐标，l o g k k 。为纵坐标做图，即得到一条直线，见图1 - 6 。取代基 常数o ，是从有机酸的简单电离反应中得到的，通常可以用来预测反应平衡时 间和反应速度。取代基效应的本质就是有机化学中经常提到的诱导效应和共振 效应。之后，很多研究者对取代基效应进行了研究 7 8 8 0 。 u v & o - o l t o 旦尘 ，百 4 0 ， 一一 3 o 7 2 o 一 j ，一 ，且 b ， ，a i k i l t 。l - o 心r _ ， p - c i 簋 i h t q i _ n o 0 n 舔 ， y 中，格 o i 1 a ， 口 一气 3 口 ，f - h o - c h 0 e - 佣i 口 c + i 2 c h 2 o a - c 。h 芒o h i o - a - 0 4n 2o 由o 20 40 so ， 图1 1 0 取代基效应 因为取代基与过渡态的活化能之间有一定的联系，所以取代基的位置和性 质在很大程度上影响了产物离子的相对丰度。因此，研究取代基效应对于研究 化合物的性质和预测其裂解行为有很大贡献。1 9 9 1 年h a n s c h 8 1 等人系统地研 究了哈密特常数以及共振和场参数，并采用实验方法测定了大部分取代基的哈 密特常数。值，在气相离子反应中，取代基与反应中心之间也会产生共轭作用， 因此离子状态下一般使用取代基常数o 。+ 和op o 在实验中，就可以直接从这些 数据资料查询所研究的取代基的哈密特常数。 本课题组的质谱研究工作一直借助于取代基效应的研究。周玉萍等 8 2 研 究了2 一( 4 ，6 二甲氧基嘧啶2 硫基) n 苯甲酰胺及其衍生物在负离子模式下 一1 1 浙江人学硕士学位论文 的多级质谱碎裂，观察到了两个竞争性的气相s m i l e s 重排反应。对于2 ( 4 ， 6 二甲氧基嘧啶2 硫基) - n 苯甲酰胺及其衍生物，裂解后产生两个碎片离子， m - h c 7 h 4 0 s 和 【m - h c i s h s n s r 。对位取代的化合物的 l n ( m - h c 7 i - h o s ) ( m - h c 1 3 h s n s r - ) 的值与取代基的哈密特常数呈线性关系。 此外，还通过同一取代基在不同位置的取代常数不同区分了三个单甲基取代的 位置异构体。 1 0 8 6 r ， 、- i4 2 o - 2 一o 5o0 5 11 5 o p 图1 - 112 一( 4 ，6 二甲氧基嘧啶- 2 硫基) - n 苯甲酰胺及其衍生物的取代基效应图 参考文献 1 】r y l a n d e r , p n ；m e y e r s o n ，s o r g a n i ci o n si nt h eg a sp h a s e i t h ec a t i o n a t e d c y c l o p r o p a n e 鼬n g za m c h e m s o c 19 5 6 ，7 8 ，5 7 9 9 58 0 2 【2 s u ，t ；b o w e r s ，m t i o n - f o l a rm o l e c u l ec o l l i s i o n s ：t h ee f f e c to fi o ns i z eo n i o n p o l a r m o l e c u l er a t e c o n s t a n t s ；t h e p a r a m e t e r i z a t i o n o ft h e a v e r a g e d i p o l e o r i e n t a t i o nt h e o r y i n t zm a s ss p e c t r o m i o np h y s 1 9 7 3 ，1 2 , 3 4 7 3 5 6 3 s u n n e r , j ；n i s h i z a w a ，k ；k e b a r l e ，p i o n s o l v e n tm o l e c u l ei n t e r a c t i o n si nt h e g a sp h a s e t h ep o t a s s i u mi o na n db e n z e n e ，鳓筘c h e m 1 9 8 1 ，8 5 ，181 4 - 18 2 0 4 m o r t o n ，t h g a sp h a s ea n a l o g u e so fs o l v o l y s i sr e a c t i o n s t e t r a h e d r o n1 9 8 2 ， 3 8 ，31 9 5 3 2 4 3 一12 一 篮z f l l i q。=i窆一一oi，王hu，i。=一一c h 浙江大学硕士学位论文 5 】m c a d o o ，d j i o n n e u t r a lc o m p l e x e si nu n i m o l e c u l a rd e c o m p o s i t i o n s m a s s s p e c t r o m r e v 1 9 8 8 ，7 ，3 6 3 - 3 9 3 6 】f i l g e s ，u ；g r i i t z m a c h e r ，h a n s f r f r a g m e n t a t i o n so fp r o t o n a t e db e n z a l d e h y d e s v i ai n t e r m e d i a t ei o n m o l e c u l ec o m p l e x e s ，o r g m a s ss p e c t r o m 1 9 8 6 ，2 1 ， 6 7 3 6 8 0 7 t r a e g e r , j c ；h u d s o n ，c e ；m c a d o o ，d j i s o m e r i ci o n n e u t r a lc o m p l e x e s g e n e r a t e df r o mi o n i z e d2 - m e t h y l p r o p a n o la n dn - b u t a n o l ：t h e e f f e c to ft h e p o l a r i t yo ft h en e u t r a lp a r t n e ro nc o m p l e x - m e d i a t e dr e a c t i o n s za m s o c m a s s s p e c t r o m 1 9 9 2 ，3 ，4 0 9 - 4 1 6 8 】l o n g e v i a l l e ，p i o n - n e u t r a lc o m p l e x e si nt h eu n i m o l e c u l a rr e a c t i v i t yo fo r g a n i c c a t i o n si nt h eg a sp h a s e m a s ss p e c t r o m r e v 1 9 9 2 ，1 1 ，1 5 7 - 1 9 2 【9 j u l i a n ，r r ；l y , t ；f i n a l d i ，a ；m o r t o n ，t h d i s s o c i a t i o no fap r o t o n a t e d s e c o n d a r ya m i n ei nt h eg a sp h a s ev i aa ni o n - n e u t r a lc o m p l e x n t j m a s s s p e c t r o m 2 0 0 7 ，2 6 5 , 3 0 2 3 0 7 【10 h u d s o n ，c e ；m c a d o o ，d j 1 ，2 e l i m i n a t i o n sf r o m ( c h 3 ) 2 n h + c h 2 c h 3a n d ( c h 3 ) 2 n h 2 十：g u i d e dd i s s o c i a t i o n sza m s o c m a s ss p e c t r o m 2 0 0 8 ，1 0 ， 1 4 9 1 1 4 9 9 11 d e n e k a m p ，c ；s t a n g e r , a s u b s t i t u e n te f f e c ta n dm u l t i s i t ep r o t o n a t i o ni nt h e f r a g m e n t a t i o no fa l k y lb e n z o a t e sz m a s ss p e c t r o m 2 0 0 2 ，37 , 3 3 6 3 4 2 【12 s u ，t ；b o w e r s ，m t i o n f o l a rm o l e c u l ec o l l i s i o n s ：t h ee f f e c to fi o ns i z eo n i o n p o l a r m o l e c u l er a t e c o n s t a n t s ；t h e p a r a m e t e r i z a t i o n o ft h e a v e r a g e d i p o l e o r i e n t a t i o nt h e o r y n t ，m a s ss p e c t r o m i o np h y s 1 9 7 3 ，1 2 ， 3 4 7 35 6 1 3 a t t y g a l l e ，a b ；b i a l e c k i ，j b ；n i s h s h a n k a ，u ；w e i s b e c k e r , c s ；r u z i c k a ，j m u l t i r e s i d u em e t h o df o rt h ea n a l y s i so fm o r et h a n14 0p e s t i c i d er e s i d u e si n f r u i t sa n dv e g e t a b l e sb yg a sc h r o m a t o g r a p h yc o u p l e dt ot r i p l eq u a d r u p o l em a s s s p e c t r o m e t r yj m a s ss p e c t r o m 2 0 0 8 ，4 3 ，12 2 4 - 12 3 4 【14 m c a d o o ，d j i o n - n e u t r a lc o m p l e x e si nu n i m o l e c u l a rd e c o m p o s i t i o n s m a s s s p e c t r o m r e v 1 9 8 8 ，7 ，3 6 3 - 3 9 3 15 n i b b e r i n g ，n m m g a s p h a s ei o n m o l e c u l er e a c t i o n sa ss t u d i e db yf o u r i e r 一1 3 浙江大学硕十学位论文 t r a n s f 0 1 t ni o nc y c l o t r o nr e s o n a n c e a c c c h e m r e s 1 9 9 0 ，2 3 ，2 7 9 - 2 8 5 【1 6 b o w e n ，r d i o n n e u t r a lc o m p l e x e s a c c c h e m r e s 1 9 9 1 ，2 4 ，3 6 4 - 3 7 1 【17 l o n g e v i a l l e ，p i o n - n e u t r a lc o m p l e x e si nt h eu n i m o l e c u l a rr e a c t i v i t yo fo r g a n i c c m i o n si nt h eg a sp h a s e m a s ss p e c t r o m r e v 1 9 9 2 ，1 1 ，15 7 19 2 【18 m c a d o o ，d j ；m o r t o n ，t h g a s - p h a s ea n a l o g u e so fc a g ee f f e c t s a c c c h e m r e s 1 9 9 3 ，2 6 ，2 9 5 - 3 0 2 19 s z m i