反式肉桂酸负离子模式质谱裂解脱羧机理的计算研究.pdf

Jun.2023JournalofHainaroclence2023年6 月Vol.36 No.2第36 卷第2 期海南师范大学学报（自然科学版）Doi:10.12051/j.issn.1674-4942.2023.02.016反式肉桂酸负离子模式质谱裂解脱羧机理的计算研究方舟1，孙长海，方方芳1（1.佳木斯大学附属第一医院，黑龙江工佳木斯154003;2.佳木斯大学药学院，黑龙江佳木斯154007)摘要：采用密度泛函理论方法RB3LYP/+6-311G(d,p)对反式肉桂酸负离子模式下质谱裂解脱羧机理进行了理论研究。计算结果表明，当外加能量得以满足时，反式肉桂酸可实现羧基化合物质谱不同的脱羧机制。反式肉桂酸质谱消除CO,途径按去质子分子结构中的氢所经的状态可归为4类，即：氢均保持在原位碳上脱羧，侧链上氢迁移到苯环后脱羧，氢迁移至碳上重排后脱羧，氢与羧基氧结合经重排后脱羧。反式肉桂酸质谱裂解脱羧共计有5种可能途径，产生4种脱羧产物。脱羧的途径中，以去质子分子的氢保持在原位碳上并经1个过渡态的脱羧最具优势。脱羧产物中，以苯乙烯负离子能量最低、最为稳定。关键词：反式肉桂酸；质谱裂解；脱羧；量化计算中图分类号：0 6 57.6 3文献标志码：A文章编号：16 7 4-4942(2 0 2 3)0 2-0 2 17-0 6Study on the Mechanism of Decarboxylation for Trans-cinnamicAcid by Mass Spectrometry with Negative ModeFANG Zhou,SUN Changhai?,FANG Fang(1.The First Affiliated Hospital of Jiamusi University,Jiamusi 154003,China;2.College of Pharmacy,Jiamusi University,Jiamusi 154007,China)Abstract:The mechanism of decarboxylation by mass spectrometry with negative mode for trans-cinnamic acid was stud-ied by density functional theory method RB3LYP/+6-311g(d,p).The results showed that different decarboxylation mecha-nisms of carboxyl compounds can be achieved for trans-cinnamic acid when the applied energy is satisfied.According to thestate of hydrogen in the deprotonated molecule structure,the elimination of CO,by trans-cinnamic acid mass spectrometrycan be classified into four categories:the decarboxylation was carried out with the hydrogen remaining on in-situ carbon;thedecarboxylation was carried out after-hydrogen on the side chain migrated to the benzene ring;the decarboxylation was car-ried out after-hydrogen migrated to-carbon and rearranged;the decarboxylation was carried out after-hydrogen com-bined with carboxyl oxygen and rearranged.There were 5 possible ways of decarboxylation and 4 kinds of decarboxylationproducts produced for trans-cinnamic acid by mass spectrometry with negative mode.In the different decarboxylation path-ways,the most advantageous pathway is the decarboxylation through one transition state with hydrogen remaining on in-situcarbon.Among the decarboxylation products,the styrene anion has the lowest energy and is the most stable.Keywords:trans-cinnamic acid;mass spectrum fragmentation;decarboxylation;quantum chemical calculation收稿日期：2 0 2 3-0 2-0 9基金项目：黑龙江省卫生健康委科研项目（2 0 2 0-32 6）第一作者：方舟（198 4一），黑龙江佳木斯人，主管药师，研究方向为药物分析。E-mail:*通信作者：方芳（197 9），黑龙江齐齐哈尔人，主管药师，研究方向为药物分析。E-mail：f a f a 317 16 3.c o m2182023年海南师范大学学报（自然科学版）肉桂酸的化学结构为苯基丙烯酸,是天然芳香羧酸物质,在植物中的关键化学物质以反式肉桂酸为主。肉桂酸自身具有抗氧化、抗菌、抗炎、抗糖尿病、抗癌和神经保护的作用U-2)。肉桂酸苯环上的取代衍生物对香豆酸、咖啡酸、阿魏酸等植物芳酸也呈现广泛的生理活性3-4。量子计算作为现代化学中最重要的基础已被应用于化合物质谱碎裂机制与质谱的预测研究5-6 ,其中尤以密度泛函理论与方法的使用最为广泛7-8 。量子化学已对肉桂酸及其衍生物的结构、构象和振动频率进行了大量的研究9-12,但对于反式肉桂酸质谱的量子化学研究尚未见报道。羧基化合物的负离子模式下质谱裂解脱羧机制有多种。实验与理论计算已证明，质谱裂解脱羧或可经羧基键的异裂直接脱去中性分子CO,形成稳定的产物，或先脱去CO,再重排成稳定的产物，或经重排再脱羧成稳定的产物，或重排与脱羧同时进行13-16 。化合物的具体脱羧方式取决于其化学结构。反式肉桂酸的负离子质谱较为简单，二级质谱中只呈现一个相对强度较大的离子碎片，即质荷比为10 3的去质子分子脱羧产物。此碎片离子是怎样的化学结构以及是通过何种的脱羧过程由前体离子而产生均尚未确定与知晓。本研究试通过密度泛函理论方法计算来展现反式肉桂酸负离子质谱裂解脱羧可能的途径。1材料与方法1.1仪器与试剂Thermo ScientificTMQ-ExactiveTM组合型四级杆-轨道阱高分辨质谱仪，赛默飞世尔科技有限公司；反式肉桂酸对照品，成都瑞芬思生物科技有限公司；色谱级甲醇，天津科密欧化学试剂有限公司。1.2实验条件取预先制备的1g/mL反式肉桂酸甲醇溶液，通过注射泵以15L/min流速注入ESI源。质谱参数设置如下：鞘气（N,）压力为40 psi，流速为5L/h；辅助气体（N,)压力2 0 psi，流速5L/h；吹扫气压力10 psi；毛细管电压3kV；离子传输管温度32 0。辅助气体加热温度350；内源能量0 10 0 eV；碰撞气体为高纯氮气（99.999%）;HCD碰撞池的归一化碰撞能量为40 eV；一级和二级质谱分辨率分别为70000和17 50 0；离子扫描范围50 2 0 0 ml/z；循环记录数3次；四级杆隔离窗为3mlz；动态排除时间为5s。1.3量量化计算与分析结构优化和频率计算通过密度泛函理论RB3LYP方法在6-311+G(d,p)基组水平进行。对前体离子、中间物质和脱羧产物的结构确定的标准为结构几何优化后结构振动频率计算结果无虚频；而对过渡态结构要求为有唯一的振动虚频，具有合理的振动模式，并应通过内烹反应坐标(IRC)计算与前体离子和产物离子相连接。肉桂酸脱羧各可能途径均经过渡态及中间产物能量计算与比较，并对脱羧产物间的转化过程进行了计算。进行能量计算时采用电子与吉布斯自由能总和，单位选用kcal/mol。2结果与讨论由反式肉桂酸测定条件下的二级质谱(图1)可知，反式肉桂酸质谱负离子模式下，其质谱除了去质子分子（mlz147)和强度极弱碎片离子（m/z119)外，仅呈现单一强度较高的特征离子（mlz103）。该离子精确质量为10 3.0 452,元素组成C.H，是去质子分子脱羧产物。2.1月脱羧的途径反式肉桂酸在负离子模式下脱羧的可能机制可归为4种类型。第一类是由去质子分子经羧基键的异裂直接脱去中性分子CO2;第二类为羧基碳上的氢转移到苯环上的同时脱去CO2;第三类为羧基氢与羧基负离子先经重排、位置互换后再通过不同路径脱去CO2;第四类为氢与羧基负氧离子先结合再转移到碳上后消除CO2,4种类型脱羧均是由羧基负离子转移而引发。表1为不同脱羧类型的各可能路径与脱羧产物及有关相对于去质子分子的能量计算结果。从所需能量看，路径1脱羧最易进行，接下来依次为路径3、路径5、路径2 及路径4。219第2 期方舟，等：反式肉桂酸负离子模式质谱裂解脱羧机理的计算研究147.051007550103.0625119.05060708090100110120130140150160m/z图1反式肉桂酸负离子模式二级质谱图Figure 1 Secondary mass spectrum of trans-cinnamic acid in negative ion mode表1不同脱羧类型与产物所经过渡态及能量Table1Transition states and energies of different decarboxylation types and products类型路径产物过渡态数所需能量/(kcal/mol)总产物能量/(kcal/mol)11P11553922P21886633P32683234P441064545P338032图2 为反式肉桂酸第一类与第二类脱羧机制下脱除CO,的路径及所需能量，括号内的数值为起始物去质子分子M与过渡态的能量差值。在第一条脱羧路径下,M羧基氧的负电荷引发连接碳的键发生断裂经过渡态TS1消除CO2。由于与氢呈反式的氢受到离去羧基氧的牵引,使得过渡态TS1结构中氢处于由反式转至顺式的中间状态。过渡态TS1的能垒为55kcal/mol,很容易脱羧。脱羧产物P1的侧链上的2 个氢原子处于顺式，由M羧基迁移来的负电荷多保持在原碳上，并可分布在P1侧链与苯环的碳上。反式肉桂酸第二类脱羧机制的脱羧路径特点是,在M羧基氧的负电荷引发下,羧基键异裂的负电与碳成键，使得氢向苯环碳转移。在第二条路径下，M经过渡态TS2氢原子移至苯环相邻碳上脱除CO,生成脱羧产物P2。与路径1比较,TS2的能垒高于TS1,P2也不如P1稳定。反式肉桂酸脱羧的第三种类型是由M的羧基与位上的氢互换重排生成中间产物M1后，中间产物进而脱羧生成不同的脱羧产物。此类型经M1可通过2 种路径完成脱羧，相应的裂解过程与所需能量见图3。图中的括号内数值为过渡态或中间产物与起始物的能量差。由图3可知，在M羧基氧的负电荷引发下，当氢移动接近碳后离解出中性分子CO2,M经过渡态TS3发生氢与羧基位置互换生成中间产物M1。M 1进而可通过第三条路径经过渡态TS4消除CO,生成产物P3;M1还可通过过渡态TS5侧链端基与苯环发生环合生成中间产物M2,接下来M2中环合处的氢在其四元环上进行质子迁移，经过渡态TS6生成中间产物M3，随后M3进行1,2 质子迁移，经过渡态TS7最终脱去CO,生成产物P4,构成了反式肉桂酸脱羧的第四条路径。与类型二对比可知,反式肉桂酸氢移至碳经过渡态TS3的能垒为6 8 kcal/mol,较其移至其另一邻位苯环Ci的能垒8 8 kcal/mol要低，即氢向碳转移相对容易。另由图3可知，中间产物M1生成后可形成的2 条脱羧路径中，路径3仅经一个能垒为41kcal/mol过渡态，而路径4需经能垒分别为6 1、10 6 与8 9kcal/mol3个过渡2202023年海南师范大学学报（自然科学版）HOHHPath1TS1(55)P1065142Path2HHM-CO,HTS2(88)P2图2反式肉桂酸脱羧的第一和第二种类型的裂解途径Figure2Cleavage pathways of the first and the second type of trans-cinnamic acid decarboxylation态。另外，产物P4结构中有一四元环的存在，使其较产物P3的稳定性差。因此，无论从动力学还是热力学上均可断定，在脱羧第三种类型中，路径3较路径4易于实现HOCOCOMTS4(41)P3Path3COOHCOOCOOCOOPath4HTS3(68)M1(4)TS5(61)M2(50)COOOOCHP4TS7(89)M3(19)TS6(106)图3反式肉桂酸脱羧的第3种类型的不同的裂解途径Figure3Different cleavage pathways of the third type of trans-cinnamic acid decarboxylation反式肉桂酸脱羧的第4种类型特点是，羧基负离子先与氢发生质子结合。这一类型只有一个路径可以实现，其生成的脱羧产物P3与路径3相同。此路径涉及2 个中间产物，相应的裂解过程与相关能量见图4。由图4可知，在路径5中氢发生质子转移，与羧基的氧结合经过渡态TS8生成中间产物M4，M 4进而经过渡态TS9生成中间产物M5。当M5羧基氢经过渡态TS10向位进行1.3质子迁移时，羧基键开裂脱去221第2 期方舟，等：反式肉桂酸负离子模式质谱裂解脱羧机理的计算研究CO2。图4显示氢与羟基氧结合成M4需克服的能垒很低、仅为2 8 kcal/mol,这是由于去质子分子羧基氧较强的负电性，使得氢较易向其迁移。随后，M4只需13kcal/mol的能量即可生成M5。由于M5的结构的特性使得其质子可向位转移，克服45kcal/mol的能垒后即可生成脱羧产物P3。与生成同一产物的路径3比较，路径5尽管首个过渡态的能垒很低，但其后历经2 个中间体，脱除CO,还需更大的能量，而路径3仅涉及1个能垒为6 8 kcal/mol的中间体,因此，在动力学上路径5不具优势。HHCOMP3TS10(80)Path4OHHOHQHTS8(28)M4(26)TS9(39)M5(35)图4反式肉桂酸脱羧第4种类型的裂解途径Figure4Cleavage pathway of the fourth type of trans-cinnamic acid decarboxylation综合考虑过渡态数与其能垒，反式肉桂酸的脱羧途径符合奥卡姆剃刀原则，即无任何重排仅经1个过渡态的羧基键异裂脱羧的路径为反式肉桂酸最具优势的脱羧方式。需要指出的是，反式肉桂酸去质子分子于电喷雾电离质谱中一方面可吸收碰撞气体的动能发生裂解消除CO2,另一方面由于具有芳环结构的负离子同CO,较强的结合趋势117 1,使得反式肉桂酸的部分脱羧产物可同CO,重新结合。反式肉桂酸去质子分子脱羧路径能否得以实现取决于脱羧产物离子的结构及其与解离出的CO,间的空间位置。在上述的4种脱羧产物中,P2及P4的化学结构的空间位阻使得解离出的CO,分子难以与其再重新结合；而P1与P3产生后，其负电荷较集中的部位与解离出CO,的相对空间位置形成的位阻也不利于与CO,结合。理论计算中曾发现，在所归纳出的4类脱羧路径下，每一类型都存在着其它的脱羧过程，但由于其脱羧产生的负离子与解离的CO,再结合时无空间障碍，使得相应的脱羧路径最终难以完成。另外，在羧基负离子引发下，反式肉桂酸去质子分子苯环上的质子与侧链上碳结合后也能使CO,解离，但产生的苯环负离子会与CO,自发地结合生成反式肉桂酸去质子分子的同分异构体，从而无稳定的脱羧产物生成。2.2脱羧产物的转化由表1还可知，从热力学角度看，4种可能的脱羧产物稳定性的顺序由小到大依次为P3、P1、P4及P2。由产物的化学结构可知，多数产物的负离子在苯环与侧链上均有分布。脱羧产物P2的负离子只限于在苯环上分布，使其能量较高稳定性最差；而P4因其结构中四元环的存在，稳定性次差。对各产物间相互转化的计算结果如图5所示，其中转化所经过渡态相应位置处标注的数值为其转化能垒的能量，产物名后括号内的数值为相对于最稳定产物P3的能差。由图5可知，P2转化成P3时需经产物P1才能实现，而P4则需经一中间物质P5。反式肉桂酸可能的脱羧产物转化成最稳定的产物P3所经过渡态的能垒均较低，过渡态能垒的最大值仅为56 kcal/mol。计算表明不同可能路径的脱羧产物如果在质谱裂解形成后，均可于外加能量的一定条件下转化成最稳定的脱羧产物。下转第2 36 页）2222023年海南师范大学学报（自然科学版）HH2456一TS11TS12P2(34)P1(7)P3(0)12TS14H46TS13P4(13)P5(37)图5脱羧可能产物向最稳定的产物转化过程与有关能量Figure5Decarboxylated possible product to the most stable product transformation process and corresponding energy3结论量子化学计算表明，反式肉桂酸质谱裂解负离子模式下，理论上可通过4类5种途径完成脱羧，可生成4种脱羧产物，涵盖了羧酸类化合物负离子质谱脱羧裂解的各种机制。反式肉桂酸质谱裂解不同的脱羧机制均是由羧基氧负离子所引发。质谱裂解不同的脱羧机制中最为有利的路径是，准分子离子直接进行羧基键异裂，氢原子保留在原位碳并经单一的过渡态消除CO2。不同的脱羧路径如能进行，脱除中性分子CO2后，各脱羧产物在质谱中可转化成最稳定的脱羧产物。总之，最具优势的脱羧机制为无需氢迁移的羧基键异裂消除CO2，最稳定的脱羧产物为苯乙烯负离子。参考文献：1 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 andChemical Toxicology,2020,137:111148.2 DE AQUINO F L T,DA SILVA J P,DE SOUZA FERRO J N,et al.trans-Cinnamic acid,but not p-coumaric acid or methyl cinnamate,in-duces fibroblast migration through PKA-and p38-MAPK signalling pathways JJ Journal of Tissue Viability,2021,30(3):363-371.3 RODRICUES M P,TOMAZ D C,DE SOUZA L A,et al.Synthesis of cinnamic acid derivatives and leishmanicidal activity 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