二硫-水自由基阳离子复合物中二中心三电子键的质谱研究

高校飞，程金财，肖 闪

(1.东华理工大学，江西省质谱科学与仪器重点实验室，江西 南昌 330013；2.东华理工大学分析测试中心，江西 南昌 330013)

1931年，Pauling[1]根据He2+分子体系提出二中心三电子(2c3e)键，其核心是分子中自由基中心原子的s/p轨道中未成对电子与分子中未被氧化原子的s/p轨道中的电子对相互作用形成三电子σ半键(即2c3e键)，其中2个电子占据分子的σ成键轨道，1个电子占据σ反键轨道[2-3]。2c3e键通常存在于自由基化学、生物化学、光化学等反应过程中长寿命的自由基中间体中，并在这些化学过程中发挥重要作用[4-9]。例如，2c3e键在蛋白质中可以作为电子传递的中继站[6]，促进蛋白质的电子转移[10]，能够导致一些不可逆疾病，如阿尔茨海默症[11]。

以硫为中心的2c3e键一直是研究者们关注的重点[3,7-8,12-17]，主要围绕理论计算[7,17-19]和光谱性质[10,20-21]开展研究。由于大多数自由基不稳定，关于其结构研究的报道较少[15]。传统主要采用电子顺磁共振(EPR)或X射线衍射(XRD)研究以硫为中心的2c3e键结构。由于S为非磁性核，用EPR进行结构鉴定存在缺陷[15]；而采用XRD则通常需要获得单晶。质谱具有灵敏度高、检测速度快、成本低、样品用量少等特点[22-25]，通过串联质谱能够获得目标离子的裂解规律，从而对其结构进行解析。1987年，Asmus等[26]首次报道了[i-Pr2S∴S-i-Pr2]+离子，并采用串联质谱对其结构进行表征，随后Illies等[4-5,27]通过质谱法研究了多种2c3e自由基阳离子的结构。目前，已报道的以硫为中心的2c3e键通常由自由基(阳离子)与R1—S—R2等硫醚类中性分子反应形成，而自由基阳离子与R1—S—S—R2等含二硫键中性底物反应形成2c3e键的相关研究较少。

水自由基阳离子H2O+·中的氧原子未配对的电子可以与一些中性分子中含孤对电子的原子作用，形成含2c3e键的水自由基阳离子复合物，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(二异丙基二硫)、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为研究模型，拟结合直接质谱分析技术和同位素标记实验，研究位阻不同时二硫-水自由基阳离子复合物[RS-SR+H2O]+·(R=Me，Et，n-Pr，i-Pr，t-Bu)中2c3e键结构。

1 实验部分

1.1 主要仪器与装置

常压化学离子源：江西省质谱科学与仪器重点实验室自制；LTQ-MS线性离子阱质谱仪：美国Thermo Fisher Scientific公司产品；数据采集及分析在Xcalibur程序上进行。

1.2 主要材料与试剂

氘代水(D2O)(99.9%)、二甲基二硫、二乙基二硫、二丙基二硫、二异丙基二硫和二叔丁基二硫：纯度>98%，北京百灵威科技有限公司产品；实验用水：由Millipore纯水仪制备。

1.3 实验条件

自制APCI离子源；放电电压2.3 kV；离子传输管温度150 ℃；毛细管电压1.0 V；透镜电压30.0 V；质量扫描范围m/z15～200。

2 结果与讨论

2.1 H2O+·与CH3S-SCH3模型反应的质谱分析

参照文献[25,28]的方法，使用双通道装置进行实验。在通道1中，采用能量可控的电晕放电技术对水的气溶胶进行电离，制备水自由基阳离子；在通道2中，通过载气将样品气溶胶引入在线产生水自由基阳离子的三维空间。在线制备的H2O+·与CH3S-SCH3样品在三维空间反应后，直接进入与双通道装置串联的质谱仪进行在线监测与分析。在线制备的H2O+·与CH3S-SCH3反应得到m/z112 ([CH3S-SCH3+H2O]+·，M1+·)，示于图1a。H2O+·中O上的单电子与CH3S-SCH3中S的孤电子对相互作用形成σ半键(2c3e键)，推测复合物离子m/z112中2c3e结构为[CH3(CH3S)S∴OH2]+·。由于2c3e键的键级为0.5，断裂所需的能量比常规σ键低，在串联质谱中优先发生解离，该位点相关的碎片离子相对含量更高[4]。若H2O+·与CH3S-SCH3反应得到的复合离子m/z112中2c3e键为[S∴O]+键(即半键在S与O之间)，[S∴O]优先断裂，丢失H2O，得到[CH3S-SCH3]+·(m/z94)。

为进一步探究m/z112(M1+·)中2c3e键的结构，对其进行碰撞诱导解离(CID)实验，结果示于图1b。值得注意的是，当CID能量为16%时，M1+·的主要裂解产物离子是m/z65(母离子丢失CH3S·(47 u))和m/z66(母离子丢失CH2=S(46 u))。选择碎片离子m/z65和m/z66进行CID实验，分别丢失1分子H2O得到m/z47[CH2=SH+]、m/z48[CH3SH+·]，推测m/z65和m/z66分别为[CH3SOH+H]+和[CH3SH+H2O]+·，示于图1c。由此表明，在串联质谱中，复合物(m/z112)的S—S键优先于S—O键断裂，M1+·(m/z112)中2c3e结构不是[S∴O]键，而是[S∴S]键。

图1 常压下H2O+·与CH3S-SCH3在线反应的质谱图(a)，以及M1+·的二级(b)和三级(c)质谱图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 氘代水同位素标记实验

为验证上述结论，进行了同位素标记实验。

相同条件下，用D2O代替H2O，在线制备D2O+·。D2O+·与CH3S-SCH3反应得到m/z114([CH3S-SCH3+D2O]+·，M2+·)，示于图2a。由于实验是在敞开环境中进行的，空气中的H2O会与反应体系中的D2O发生交换，产生m/z112(M1+·)。当CID能量为21%时(图2b)，m/z114 (M2+·)裂解产生的主要离子为m/z66(母离子丢失CH2DS·(48 u))和m/z68(母离子丢失CH2=S(46 u))。m/z66、68分别丢失1分子HOD(19 u)得到子离子m/z47[CH2=SH+]、m/z49[CH3SD+·]，示于图2c。由此可知，m/z66和m/z68分别为[CH3SOD+H]+和[CH3SD+HOD]+·，且均为M2+·中二硫键断裂的产物。由串联质谱结果推测，M2+·复合物中发生了S—S键断裂，且S—S键优先于S—O键断裂，M2+·(m/z114)中的2c3e结构不是[S∴O]键，而是[S∴S]键。

图2 常压下D2O+·与CH3S-SCH3在线反应的质谱图(a)，以及M2+·的二级(b)和三级(c)质谱图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-水自由基阳离子复合物的质谱研究

当二硫化物的取代基为位阻较小的甲基时，H2O+·中O上的单电子与CH3S-SCH3中S的孤对电子发生作用，形成含[S∴S]键的自由基化合物。为进一步探究此问题，考察了乙基、丙基、异丙基和叔丁基4种基团对[RS-SR+H2O]+·中2c3e键结构的影响。

当取代基为位阻较小的乙基时，H2O+·与CH3CH2S-SCH2CH3反应生成m/z140([CH3CH2S- SCH2CH3+H2O]+·，M3+·)，示于图3a。M3+·裂解产生的主要子离子有m/z61[CH3CH=SH+](母离子丢失CH3CH2S·+H2O(79 u))、m/z62[CH3CH2SH+·](母离子丢失CH3CH=S+H2O(78 u))、m/z79[CH3CH2SOH+H]+(母离子丢失CH3CH2S·(61 u))和m/z80[CH3CH2SH+H2O]+·(母离子丢失CH3CH=S(60 u))，示于图3b、3c。这4种离子均为自由基离子复合物二硫键断裂的产物，且CH3CH=SH+、CH3CH2SH+·的相对丰度明显低于[CH3CH2SOH+H]+和[CH3CH2SH+H2O]+·。综合串联质谱数据，可推断复合物M3+·(m/z140)裂解时S—S键比S—O键优先断裂，M3+·(m/z140)中2c3e结构应该是[S∴S]键，而不是[S∴O]键。

图3 常压下H2O+·与CH3CH2S-SCH2CH3在线反应的质谱图(a)，以及M3+·的二级(b)和三级(c)质谱图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+·

当取代基为丙基时，H2O+·与CH3(CH2)2S-S(CH2)2CH3反应生成复合物离子m/z168([CH3(CH2)2S-S(CH2)2CH3+H2O]+，M4+·)，示于图4a。M4+·发生二硫键断裂产生离子m/z75[CH3CH2CH=SH+](母离子丢失CH3CH2CH2S·+H2O(93 u))、m/z76[CH3CH2-CH2SH+·](母离子丢失CH3CH2CH=S+H2O(94 u))、m/z93[CH3(CH2)2SOH+H]+(母离子丢失CH3CH2CH2S·(75 u))和m/z94[CH3(CH2)2SH+H2O]+·(母离子丢失CH3CH2CH=S(74 u))，示于图4b、4c。此外，还产生m/z74、108等丰度较低的离子，主要涉及S—S、S—C骨架键的断裂，以及分子重排、H自由基转移等化学过程。未明显发现[S∴O]+键断裂产生的产物离子m/z150[CH3(CH2)2S-S(CH2)2CH3]+·，其相对强度远低于[S∴S]+键断裂的产物离子。

当取代基为异丙基时，H2O+·与(CH3)2CHS-SCH(CH3)2反应生成m/z168([CH3(CH2)2S-S(CH2)2CH3+H2O]+，M5+·)，示于图4d。M5+·与M4+·的分子质量相同，但在相同能量(CE 23%)下，二者产生的子离子明显不同，分别示于图4b、4e。其中，图4b中相对丰度最高的碎片离子是m/z108，而图4e中相对丰度最高的碎片离子是m/z150，均由M5+·离子丢失H2O得到。图4e中相对中等强度的离子m/z126和m/z108主要经过S—C骨架键的断裂、分子重排和H自由基转移等化学过程得到。M5+·裂解产物中，S—S键断裂得到的产物离子m/z74的相对丰度明显小于S—O键断裂的产物m/z150。因此，二硫化物取代基位阻较大的M5+·复合物裂解时，S—O键优先于S—S键断裂。当二硫化物取代基的位阻进一步增大时(取代基为叔丁基)，叔丁基二硫-水自由基阳离子复合物([(CH3)3CS-SC(CH3)3+H2O]+·，M6+·)裂解时，S—O键断裂产生的m/z178碎片离子强度远高于S—S键断裂的产物离子强度，示于图5。因此，当二硫化合物取代基位阻较大时，二硫-水自由基阳离子复合物中2c3e结构应是以[S∴O]键为主。

图4 常压下H2O+·与CH3(CH2)2S-S(CH2)2CH3(a)和 (CH3)2CHS-SCH(CH3)2(d)反应的质谱图，M4+·(b)和M5+·(e)的二级质谱图，M4+·的三级质谱图(c)及主要碎裂离子结构图(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)

图5 常压下H2O+·与(CH3)CS-SC(CH3)3在线反应的质谱图(a)和m/z 196的二级质谱图(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)

自由基离子复合物的气相解离行为与复合物中取代基密切相关，其原因可能有2种：1) 取代基的电子效应。缺电子的水自由基阳离子靠近二硫化物中含孤对电子的硫时，给电子效应相对较强的叔丁基(相对甲基、乙基等)增加了硫原子周围的电子云密度，稳定了S原子上的单电子，使得复合物中S—S键更稳定；2) 取代基的位阻效应。高位阻的取代基阻碍了缺电子的水自由基阳离子进一步靠近二硫化物中的S原子，使得复合物中O与S的距离更远，2个原子间的作用力更弱。因此，当取代基为异丙基、叔丁基等给电子效应较强的高位阻基团时，复合物中半键在S与O之间，即2c3e键是以[S∴O]键为主。当取代基为甲基、乙基、丙基等位阻相对较低的基团时，水自由基阳离子进一步靠近二硫化物中S原子的阻碍降低，形成较稳定的S—O键(S—O键的稳定性高于S—S键)，复合物中半键在2个S原子之间，即2c3e键是以[S∴S]键为主。

3 结论

本文通过质谱法研究了二硫化物取代基位阻不同时，二硫-水自由基阳离子复合物中2c3e键的结构特点。结果表明，当二硫化物取代基为甲基、乙基、丙基等位阻较小的基团时，二硫-水自由基阳离子复合物中2c3e键以[S∴S]键为主；当二硫化物取代基为异丙基、叔丁基等位阻较大的基团时，以[S∴O]键为主。由此可见，结构环境的不同对自由基结构的性质有着重要影响，本研究有助于理解与2c3e键有关的化学反应和生物体中自由基传递过程机理。