硝基取代位点对质子化硝基苯并咪唑离子紫外光解离的影响

张凯林，杜梦颖，许一澄，李树奇，崔永亮，张 森，马利福，汪 曣，孔祥蕾,3

(1.天津大学精密仪器与光电子工程学院，天津 300072；2.南开大学化学学院元素有机化学国家重点实验室，天津 300071；3.南开大学化学科学与工程创新中心，天津 300071)

硝基咪唑类化合物广泛用于高能材料，如爆炸物、推进剂等,在动力学研究中一直受到广泛关注[1-2]。这类化合物中的一些分子具有良好的灭菌作用，被用于一些疾病的治疗[3-4]。同时，该类分子也可以作为放射致敏剂用于一些放射性治疗[5]。在正电子放射断层造影术(PET)中，该类化合物常被用作肿瘤缺氧的显像剂[6-7]。近年来，由于硝基咪唑类化合物在放射性治疗、显像等领域的广泛应用，其光解离机理及其相关的物理化学性质研究受到科学家的关注[6-7]。

在气相中研究硝基咪唑类化合物可消除溶剂效应的干扰，更直接地展示该类化合物的性质。1979年，Kajfež等[8]使用光电子能谱法对甲基硝基咪唑分子进行了研究。2014年，Feketeova等[9]利用线性离子阱-傅里叶变换离子回旋共振质谱仪对尼莫拉唑和米索硝唑进行了系统的研究，发现负离子模式下这些放射增感剂的电喷雾离子化会导致形成自由基阴离子，并进一步利用碰撞诱导解离(CID)对其裂解反应进行研究。该课题组随后使用X射线光电子能谱法在气相中对此类化合物进行了研究[10]，并使用CID和电子诱导解离(EID)研究不同取代位点的硝基咪唑质子化阳离子、自由基阳离子及其丢氢阴离子的解离机理[11]。结合理论计算，推测2-硝基咪唑丢失H2O的解离通道是由于发生了2次H原子转移而造成的。Cartoni和Bolognesi等[12-13]使用光电子-光离子符合谱(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离碎片，结合理论计算，针对部分通道的单重态及三重态解离过程进行对比，该工作着重解释了NOCO解离通道，并分析了取代位点对这一过程的影响。除此之外，一些课题组使用不同的实验装置针对气相中的硝基咪唑类分子进行了有意义的工作[14-18]。

本研究拟选择硝基苯并咪唑类分子进行紫外光解离(UVPD)质谱和光谱的研究。硝基苯并咪唑分子中含有苯环，吸收紫外光子后，其中的电子被激发，导致质子化的硝基苯并咪唑分子发生解离。选择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)，结构式示于图1，重点研究硝基不同取代位点对3种硝基苯并咪唑解离通路的影响，并进一步利用理论计算对各化合物的解离机理进行研究。

图1 2-NBI(a)、5-NBI(b)及7-NBI(c)的结构示意图Fig.1 Structures of 2-NBI (a), 5-NBI (b) and 7-NBI (c)

1 实验部分

1.1 实验方法

在课题组搭建的基于傅里叶变换离子回旋共振质谱仪(FT-ICR-MS)的超宽波段光解离质谱-光谱系统上进行实验[19]。该系统使用7.0 TFTICR质谱仪(美国IonSpec公司产品)，可调谐紫外-可见OPO激光器(EKSPLA,NT-342C,立陶宛)。 具体的实验装置可参考文献[20]，这里只对实验方法做简单描述。不同样品的离子均由ESI电离源产生，其中5-NBI (纯度95%)为研峰科技(北京)有限公司产品，2-NBI(纯度95%)和7-NBI(纯度97%)为上海毕得医药科技有限公司产品。所有样品使用甲醇-水-乙酸混合溶液(49∶49∶2，V/V/V)溶解，3种样品溶液的浓度为2 mmol/L。为得到稳定的质谱信号，在正离子模式下，以2-NBI、5-NBI和7-NBI溶液为待测物，对ESI离子源的喷针电压进行优化，最佳电压分别为2.9、3.1和2.5 kV。由ESI源产生的离子经四极杆注入FT-ICR分析池，进一步使用存储波形的傅里叶逆变换(stored waveform inverse fourier transform, SWIFT)[21]方法选择待测目标离子，进行CID或UVPD实验。碰撞诱导解离实验通过持续非共振辐射(sustained off-resonance irradiation, SORI)的方法得以实现[22]。实验中Vb-p设置为1.8 V，激发时间为100 ms，频率偏移为1 000 Hz。

在UVPD实验中，激光的典型能量为3 mJ/pulse，每个脉冲宽度5 ns，频率10 Hz，照射时间2 s。其中2-NBI的“Action”光谱扫描范围为210～370 nm，5-NBI和7-NBI的光谱扫描范围为210～320 nm，所有光谱的扫描步长为1 nm。以波长为横坐标(x,nm)，相对光谱强度为纵坐标(y)，绘制了3种化合物的紫外光解离光谱，总光谱每个点的相对光谱强度(IR)由式(1)计算得到：

IR=∑Ii/(∑Ii+Ip)

(1)

单通道产率光谱每个点的相对光谱强度(IRi)则由式(2)计算得到：

IRi=Ii/(∑Ii+Ip)

(2)

其中，Ip和Ii分别表示母离子的强度和各碎片离子的强度。

1.2 理论计算

使用GAUSSIAN 09软件[23],利用B3LYP[24-25]泛函在6-311++g(d,p)水平下进行质子化2-NBI、5-NBI和7-NBI离子的几何构型优化。所有过渡态(TS)的构型优化同样使用B3LYP泛函在6-311++g(d,p)水平下进行，并使用内禀反应坐标(intrinsic reaction coordinates, IRC)计算进行验证，以确保计算出的过渡态是反应物与产物的连接点。文中展示的所有能量全部经过零点能校正。

2 结果与讨论

2.1 CID及UVPD质谱

2-NBI、5NBI和7-NBI的CID质谱图示于图2， 2-NBI的质子化离子经过碰撞后产生了m/z134 和118碰撞解离碎片。m/z118碎片离子为C-N断裂导致NO2·解离而产生，m/z134碎片离子是NO·解离所形成。这2个解离通道与文献[11,13]报道的硝基咪唑裂解结果一致。5-NBI和7-NBI离子在碰撞后均只出现m/z118解离碎片，即使改变碰撞能，仍未出现m/z134碎片离子的信号。

图2 2-NBI(a)，5-NBI(b)，7-NBI(c)的CID质谱图Fig.2 CID mass spectra of 2-NBI (a), 5-NBI (b) and 7-NBI (c)

3种同分异构体质子化离子在225 nm激光照射下得到的光解离质谱图示于图3。在此波长激光照射下，2-NBI产生的光解离碎片离子与CID碎片离子相比，除了发生NO2·和NO·解离产生m/z118 和134碎片离子，还出现了由OH·解离产生的m/z147碎片离子以及由NOCO解离产生的m/z106碎片离子。5-NBI的碎片离子仅有3种，除了在2-NBI的质谱图中出现了m/z118和m/z106离子，还在m/z148处观察到强度较弱的由O原子解离所形成的碎片离子峰，未测到m/z134。对于7-NBI，其解离结果与2-NBI相似，仅多了1个碎片离子m/z117。

图3 2-NBI(a)，5-NBI(b)，7-NBI(c)的225 nm UVPD质谱图Fig.3 225 nm UVPD mass spectra of 2-NBI (a), 5-NBI (b)and 7-NBI (c)

3个化合物均出现了m/z106碎片离子，对图3a和3c中的m/z134碎片离子进行进一步光照解离(即MS3串联质谱分析实验)，发现来自2-NBI和7-NBI的m/z134碎片离子受到紫外激光照射后会再次解离，有且仅有m/z106碎片离子出现，即2-NBI和7-NBI出现的m/z106碎片离子应主要来自m/z134碎片离子的进一步解离。5-NBI的裂解碎片没有m/z134，故其m/z106碎片离子的形成机理很可能与2-NBI和7-NBI不同。

当采用波长较长的紫外激光进行实验时，与225 nm波长结果相比，3种同分异构体离子的解离碎片种类和相对强度均发生了一定改变。280 nm紫外激光的实验结果示于图4，其中2-NBI同时出现了m/z146、147碎片离子，分别对应H2O和OH·的解离。在5-NBI的光解离质谱图中，没有检测到m/z148碎片离子，表明随着激光光子能量降低，其能量已无法满足m/z148碎片离子的产生条件。对于7-NBI，m/z106碎片离子的质谱强度非常低，说明280 nm激光光子提供的能量已接近该碎片离子产生所需的能垒。

图4 2-NBI(a)，5-NBI(b) and 7-NBI(c)的280 nm UVPD质谱图Fig.4 280 nm UVPD mass spectra of 2-NBI (a), 5-NBI (b) and 7-NBI (c)

2.2 UVPD光谱

3种质子化硝基苯并咪唑同分异构体的紫外光解离光谱图示于图5。3种同分异构体质子化阳离子的UVPD光谱图的谱峰位置和峰形有明显不同，通过对比三者的光解离光谱，可进行有效区分。通过进一步对比和分析，3种质子化离子的光谱特征与硝基取代位置的相关度较大。其中2-NBI的硝基连接在咪唑氮杂环的C2上，其取代位点距离苯环最远，光谱中出现了2个较明显的光谱吸收峰，在210～250 nm波段内光谱峰的强度相对较低，在250～360 nm波段内出现了较强的光谱吸收峰，在360 nm后未测到吸收(图5a)。5-NBI的光谱吸收带仅延伸到290 nm(图5b)，光谱吸收范围最窄。而7-NBI分子中的硝基与苯环的C7连接，其位置介于苯环与咪唑环之间，受到苯环与咪唑环的双重影响，其光谱吸收带可延伸到300 nm附近(图5c)。

注：a.2-NBI；b.5-NBI；c.7-NBI

2.3 解离机理研究

2.3.1m/z146,m/z147和m/z148通道

为进一步研究硝基取代位点对光解离的影响，本研究分析了解离动力学势能面和相应碎片离子的单通道紫外光解离光谱。在210～370 nm波段内，2-NBI的m/z147、146两个解离通道的产率光谱示于图6a，在210～270 nm波段内，m/z147通道为优势通道，m/z146通道的光谱强度较低；在280 nm后m/z147通道的光谱强度随着光子能量的降低逐渐降低，m/z146通道成为优势通道。由实验光谱(图6a)可知，2-NBI-FI-146和2-NBI-FI-147通道为一对竞争通道。2-NBI的硝基连接在咪唑环2个N原子中间的C上，硝基上的O原子距离咪唑环上的2个N原子较近，咪唑氮杂环上的N—H键相对活泼，致使连接在N上较活泼的H原子更容易被转移。通过计算以上2个通道的解离动力学势能面，可知m/z147和m/z146离子分别是通过1次和2次H原子转移之后导致OH·及H2O解离而形成的，结果示于图7a。观察最终的解离产物，2-NBI-FI-147+OH·的能量略高于2-NBI-FI-146+H2O的能量。结合完整势能曲线，可较好地解释实验中这2个反应通路的竞争趋势。

在210～320 nm波段内，5-NBI的m/z148通道的紫外光解离产率光谱示于图6b。该通道的光谱强度始终较低，且吸收带仅延伸到230 nm。由图3b和4b可见，质子化5-NBI离子在吸收紫外光子后未出现m/z147和m/z146碎片离子，表明其在解离过程中并未发生H原子的转移。通过分析质子化5-NBI的构型(图9b)，其硝基连接在距离咪唑环最远的C5上，硝基上的O原子距离咪唑环上的H原子较远，导致O原子无法与咪唑环N原子上的活泼H原子发生相互作用。因此，5-NBI不产生m/z147 和m/z146。

注：a.2-NBI中产生的 m/z 147 和 146离子；b.5-NBI 中产生的m/z 148离子；c.7-NBI 中产生的m/z 147离子

在210～320 nm波段内，7-NBI的m/z147通道的产率光谱示于图6c，仅产生碎片离子m/z147，未出现m/z146离子。质子化7-NBI离子的硝基连接在苯环的C7上，处于苯环与咪唑环之间。通过计算其解离动力学势能面，7-NBI-FI-147通道经历了TS1(7)过渡态形成IM1(7)中间态，在此过程中咪唑环上的1个活泼H原子转移到硝基的O原子上，示于图7b。7-NBI-FI-147通道经历了TS1(7)过渡态形成IM1(7)中间态，完成了对咪唑环上活泼H原子的转移。由于硝基的连接位置，O原子距离另1个活泼H原子较远，但与C6相连的H原子为苯环上的稳定H原子，稳定的C—H键导致C6上的H原子很难转移，无法产生m/z146碎片离子。

注：a.2-NBI；b.7-NBI；所有计算在B3LYP/6-311++g(d,p)水平下进行，所示能量经过零点能校正，单位为eV

2.3.2m/z134和m/z106 通道 在210～370 nm波段内，质子化2-NBI的m/z134、106光解离碎片离子的产率光谱示于图8a。这2个解离通道的相对光谱强度在250 nm之前基本相同；在250～310 nm波段内，m/z106离子的产率高于m/z134；在310 nm之后呈现出相反趋势。上述2个通道的解离动力学势能面示于图9a。质子化2-NBI离子经过TS4(2)过渡态，形成了IM4(2)的中间态，需要跨越2.31 eV的能垒，但此过程为放热过程，在NO·解离后形成了2-NBI-FI-134碎片离子，为硝基解离中较常见的通道。该离子再次吸收光子进行二次解离需跨越3.02 eV的能垒，丢失CO碎片形成2-NBI-FI-106碎片离子。由其计算的势能曲线可知，产生m/z106离子需跨越的能垒(TS5(2))比m/z134离子(TS4(2))高0.71 eV。

注：a.2-NBI中产生的m/z 134和106离子；b.5-NBI中产生的m/z 106离子；c.7-NBI中产生的m/z 134和106离子

注：a.2-NBI；b.5-NBI；c.7-NBI；所有计算在B3LYP/6-311++g(d,p)水平下进行，所示能量经过零点能校正，单位为eV

质子化5-NBI在210～320 nm波段激光照射下m/z106碎片离子的产率光谱示于图8b。由5-NBI产生的m/z106通道光谱强度相对较低，且m/z106碎片是在没有m/z134碎片产生的情况下独立出现的。m/z106通道的解离动力学势能面示于图9b，在经过IM1(5)中间态后，NO·自由基被苯环的π共轭体系吸引并未发生解离，使苯环发生裂解，经过TS2(5)过渡态形成IM2(5)中间态。该离子在失去了π共轭结构之后，末端的NO基团变得不稳定，与另一个同样不稳定的CO基团相互作用。在经历了TS3(5)过渡态之后形成了双五元环连接CNO2结构的IM3(5)。最终CNO2基团与双五元环结构连接的C—C键发生断裂，形成了5-NBI-FI-106离子，原本的CNO2基团由于其结构相当不稳定而裂解成NO·中性自由基及CO分子。

在210～320 nm波段内，质子化7-NBI的m/z134、106碎片离子的产率光谱示于图8c，与质子化2-NBI的光谱类似。在250 nm之前，2个解离通道的光谱强度基本相同；在250～290 nm波段内，m/z134通道的光谱强度始终大于m/z106通道。由图9c可知，7-NBI-FI-134碎片离子为苯环上硝基的NO·解离所致，此过程需要经过TS3(7)过渡态，此过渡态的能垒为2.73 eV。7-NBI-FI-134离子在吸收紫外光子后导致苯环裂解，经过了过渡态TS4(7)形成了IM4(7)中间态，此过程需跨越最高3.23 eV的能垒，比形成7-NBI-FI-134离子所需跨越的能垒高0.5 eV，解释了m/z134通道的光谱强度始终高于m/z106通道的原因，且发现m/z134通道所需的能量要略低于m/z106通道。

2.3.3其他解离碎片 其他碎片离子的结构示于图10。2-NBI-FI-118为C—N键断裂生成的m/z118碎片离子，2-NBI-FI-105为质子化2-NBI的m/z106碎片离子再次吸收光子导致N—H键断裂而形成的自由基碎片阳离子，类似的H自由基解离在芳香族氨基酸的紫外光解离中比较常见[26-28]。5-NBI-FI-148为m/z148碎片离子，其形成机理已在上文讨论过；5-NBI-FI-118为硝基直接解离形成的m/z118碎片阳离子；7-NBI-FI-118为硝基直接解离形成的m/z118碎片离子；7-NBI-FI-117为m/z118离子再次吸收1个紫外光子而形成的m/z117自由基阳离子。

图10 其他光解离碎片离子结构Fig.10 Structures of other photodissociation fragment ions

3 结论

本工作通过UVPD质谱与光谱，实现了3种不同取代位点硝基苯并咪唑同分异构体的区分，结合实验和理论计算，对质子化2-NBI、5-NBI和7-NBI离子的解离通道进行了较为系统的研究。结果表明，3种质子化离子的紫外光解离光谱特征与其硝基取代位点的相关性很高。其中2-NBI的硝基取代位点位于距离苯环最远的咪唑环上，其光谱吸收带可延伸到约360 nm，且解离碎片的种类最多；5-NBI的硝基取代位点在苯环上，且距离咪唑环较远，光解离碎片的种类最少，在290 nm之后不再有吸收；7-NBI的硝基介于苯环与咪唑环之间，其解离碎片的种类数量介于2-NBI及5-NBI之间，光谱吸收带可延伸至300 nm。

从解离通道来看，2-NBI的UVPD质谱中出现了m/z146、147碎片离子峰；5-NBI的质谱图中只出现m/z148离子峰；7-NBI只可测到m/z147碎片离子。通过DFT计算所得的势能曲线，2-NBI中观察到的m/z147、146离子分别是由于咪唑环N原子上的1个和2个活泼H原子转移导致OH·、H2O丢失而形成的。对于5-NBI，由于其硝基距离咪唑环较远，无法发生类似的H原子转移，故只能得到m/z148(O丢失)碎片。7-NBI的硝基介于苯环与咪唑环之间，能够但仅能实现1次H转移，所以只检测到m/z147(OH·丢失)碎片。同时，对实验中测到的m/z134、106碎片离子对应的解离通道进行了详细分析和讨论。

本文结果表明，结合UVPD质谱法和UVPD光谱法可有效区分多种同分异构体。取代基的位置不仅对其紫外光解离光谱有重要影响，也能直接影响这些异构体的UVPD解离过程中伴随的H转移，从而使它们的光解离碎片离子的种类或分布有明显不同。这些差异为相应的离子提供了新的结构信息，其光谱学特征和光解离过程中产生的碎片离子的结构和活性的差异可能与这些化合物在较复杂的环境中(如生物介质)表现出的不同反应机制(如放射性致敏作用)密切相关。