基于密度泛函理論的全氟辛烷磺酸質譜裂解規律研究

王天潤， 黎 梅， 翁 瑞， 杜沈旋

(1.河北師范大學 化學與材料科學學院，河北 石家莊 050024；2.中國農業科學院 農業質量標準與檢測技術研究所，北京 100081)

有機質譜技術作為一種化合物結構鑒定技術，在藥物檢測、環境分析和生物代謝等多方面發揮著不可或缺的作用.化合物分子在進入質譜后，通過離子源離子化，使分子成為帶電離子，隨后發生裂解，這種裂解反應本質上為單分子離子的分解反應.大多數分子的裂解在質譜的質量分析器中進行，質譜的質量分析器具有高真空度的特點，所以分子的裂解過程及碎片離子的產生可以通過量子化學進行計算研究和闡明[1].目前，已有相關學者借助量子化學計算方法研究和闡明化合物的質譜特征和裂解機理[2-7].Ouyang等[8]根據密度泛函理論，確定簡單吲哚類生物堿初始電離位點，并對其EI源質譜的特征裂解規律進行了預測.崔培珅等[9]使用電噴霧離子阱質譜對大黃酸進行分析，并通過量子化學計算方法對質譜離子的幾何參數、鍵斷裂能、電荷變化、自旋密度以及前線分子軌道進行分析，較為系統地解釋了大黃酸分子在電噴霧離子阱質譜中的裂解行為.任昀等[10]運用量子化學計算方法，計算出三聚氰胺在電噴霧質譜中準分子的產生和裂解規律等質譜學特征，經過實驗驗證，證明了質譜裂解過程主要受碎片離子Mulliken電荷分布及其化學鍵相互作用強弱的影響，為進一步研究三聚氰胺衍生化合物的質譜裂解途徑提供理論依據.

全氟辛烷磺酸(PFOS)因其極低的表面張力以及疏水、疏油的獨特物理性質，曾在民用和工業產品中得到應用.然而，鑒于此類化合物具有毒性、環境持久性、生物蓄積性和長距離遷移等特性，聯合國環境規劃署于2009年將全氟辛烷磺酸列為“斯德哥爾摩公約”中新型持久性有機污染物.盡管如此，PFOS在全球范圍內的生產仍在繼續，尤其在中國[11].研究表明，PFOS在中國環境中的殘留問題日益嚴重，其殘留物將經由呼吸和飲食進入人體，危害人體健康[12].PFOS的檢測主要采用高效液相色譜-串聯質譜法(HPLC-MS/MS)[13-14].HPLC-MS/MS具有靈敏度高、抗干擾能力強的特點，國家食品安全標準已將其作為動物食品的主要檢測方法[15]，但仍未見從分子水平上研究PFOS裂解過程機理的理論報道.

本文中，筆者采用量子化學方法對PFOS在電噴霧源質譜中的質譜碎片結構及碎裂過程進行研究，探討可能存在的碎裂機理，進而為研究其他全氟化合物的裂解規律和利用質譜篩查PFOS的結構類似物提供理論依據.

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

Thermo Fisher Endura質譜儀(配有ESI源、三重四極桿質量分析器和TraceFinder數據處理軟件等,美國 Thermo Fisher公司)；流動注射泵(美國Thermo Fisher公司).

全氟辛烷磺酸標準品(1.0 g/L，溶于甲醇，天津阿爾塔科技有限公司)；甲醇(色譜純，美國Thermo Fisher公司).

1.2 質譜條件

采用ESI負離子模式檢測，噴霧電壓為2 500 kV,離子傳輸管溫度為300 ℃，鞘氣和輔助氣為氦氣，鞘流速為4.09 L/min,輔助氣流速為7.97 L/min,氦氣為碰撞氣進行誘導裂解，壓力為0.2 Pa,掃描范圍為m/z50～600,流動注射泵直接進樣，流速為10 μL/min.

1.3 量子化學計算方法

基于密度泛函理論，采用量子化學從頭算方法，在B3LYP/6-31G(d,p)的水平上，對所有分子及其碎片離子進行初始幾何構型的全自由度優化并進行頻率計算，確認優化結果無虛頻后，即可認為分子及其碎片離子達到穩定構型.對分子優化后的穩定結構使用自然布居分析(natural population analysis,NPA)進行電荷計算，分析分子中原子電荷的分布.采用Lu等[16]開發的Multiwfn的Mayer鍵級進行鍵級的計算，用于考察分子在裂解過程中化學鍵穩定性的變化.各化學鍵的鍵斷裂能(EBD)由式(1)計算得到：

EBD=EA+EB-EAB.

(1)

其中：EAB為母體碎片離子總能量；EA為脫去取代基后的能量；EB為取代基能量.

2 結果與討論

2.1 PFOS質譜數據初步分析

PFOS的分子結構及其位次編號如圖1所示，可以看出，分子中只存在1個H原子，所以負離子模式下，失去氫離子的位點只有與O10連接的氫原子.PFOS的二級質譜如圖2所示，在所有的子離子中，m/z230，280,330具有較高的響應，其相差的質荷比均為50，m/z119和m/z169相差的質荷比也為50，而—CF2—的相對分子質量為50，這一現象可能是由子離子帶有不同數量的—CF2—所導致.基于以上分析，對PFOS的裂解過程做出初步假設，如圖3所示.由于PFOS為鏈狀結構，并且大部分C—F鍵具有較高的鍵能，不易斷裂.所以PFOS在質譜碎裂的過程中，產生的碎片離子主要是由于主鏈化學鍵的斷裂.對于m/z99的碎片離子，通過PFOS準分子離子的直接斷裂不能產生m/z99的碎片離子，所以m/z99的離子可能是經歷了重排異構過程.為了從理論上證明裂解途徑的可能性，從NPA電荷、電子密度差、鍵長和Mayer鍵級等多方面對裂解過程的假設進行分析.

圖1 PFOS的分子結構Fig.1 Molecular Structure of PFOS

圖2 PFOS的二級質譜Fig.2 MS2 Spectra of PFOS

圖3 PFOS在串聯質譜中裂解過程的假設Fig.3 Hypothesis of PFOS Pyrolysis Process in Tandem Mass Spectrometry

2.2 準分子離子NPA電荷分析

對構建的PFOS準分子離子進行幾何優化，確認分子無虛頻后，認為分子達到幾何優化穩定點，此時的結構即為穩定結構.為了確認分子在電離后電荷轉移的情況，對PFOS分子及其準分子離子進行了NPA電荷的計算，其前后NPA電荷及其變化如表1所示，其中M代表未離子化的PFOS分子，[M-H]-代表PFOS的準分子離子.

由表1可以看出，在PFOS形成[M-H]-的過程中，負電荷主要向與S9相連的3個氧原子轉移，其中向O11轉移的最多，其次為O10和O12，2個原子轉移負電荷的數量基本相同.對于氟原子來說，與C8相連的2個氟原子及與C7相連的1個氟原子電荷變化最大，其中F28變化最大，其次為F29和F27.在主鏈上，C8和S9的NPA電荷變化最大，正電荷向S9轉移，負電荷向C8轉移，使C8和S9原子之間的NPA電荷增加，電子云向S9轉移，使C8與S9之間的共價鍵穩定性降低，所以推測斷裂容易發生在C8與S9之間.

表1 PFOS變為準分子離子的自然電荷變化Tab.1 The Change of Natural Charge from Molecular to Quasi-molecular Ion

2.3 電子密度差分析

為了進一步分析電荷分子變為準分子離子時對PFOS結構產生的影響，通過分子與準分子離子的電子密度差，可以更精確地分析電子密度在空間中的變化，電子密度差等值面見圖4.其中，綠色和藍色分別代表PFOS分子失去氫離子后電子密度增大和減小的部分.PFOS分子在變為準分子離子的過程中，電子密度變化的區域主要集中在氫離子發生解離的位點，對于碳原子組成的主鏈來說，呈現出靠近SO3-的一側電子密度增大，背向SO3-的一側電子密度減小，且變化的程度隨著丟失氫離子位點的距離增大而減小.S9周圍電子密度減小，C8周圍電子密度增大，同時，C8與C7電子密度也發生了一定的變化，但是變化程度遠小于C8和S9，這與NPA電荷的變化一致.

圖4 PFOS變為準分子離子的電子密度差等值面Fig.4 The Isosurface Map of Electron Density Differences for PFOS Change to Quasi-molecular Ion

為了更直觀地看出電子密度的變化情況，以C7,C8,S9為平面對其周圍空間做剖面圖，見圖5.其中，藍色虛線和紅色實線分別代表形成準分子離子后電子密度減少和增加的區域.圖5從平面上展示出形成準分子離子后電子密度變化的情況， C8與S9之間電子密度變化存在著一個截面，這反映出形成共價鍵的電子共享程度降低，使得它們之間形成的共價鍵被削弱，C8與S9之間的鍵長增大，鍵級減小.同時可以看出，相鄰碳原子間的電子密度也發生了不同程度的變化，這意味著準分子離子在誘導碰撞裂解的過程中，C—C鍵也會在一定能量條件下發生裂解.

圖5 PFOS變為準分子離子的電子密度差等值線Fig.5 The Contour Line of Electron Density Differences for PFOS Change to Quasi-molecular Ion

2.4 鍵長與Mayer鍵級變化

為了進一步預測 PFOS在質譜中化學鍵發生斷裂的位置，對PFOS在形成準分子離子前后的鍵長和Mayer鍵級進行了計算.由表2可知，PFOS主鏈上鍵長和鍵級變化最大的是C7—C8和C8—S9，C7—C8鍵長減少了0.000 3 nm；C8—S9鍵長增加了0.000 3 nm，雖然二者鍵長變化一樣，但是它們的鍵級變化不同，C7—C8之間的鍵級僅僅增加了0.016，但是C8—S9之間的鍵級減少了0.050，C8與S9之間共價鍵的穩定性顯著降低，這與電子密度差分析得出的結果一致，推測在形成準分子后，由于氧原子的電負性比硫原子大，S9上的電子云向3個氧原子轉移，使得C8—S9之間的電子密度降低，同時由于C8與S9的電負性差距較小，使得原本C8與S9之間的電子向C8與S9各自轉移，C8與S9之間的共價鍵從而更容易發生斷裂.所以，PFOS在形成準分子離子后，C8與S9之間可能發生均裂，形成SO3-基團，在質譜中檢測到m/z80的碎片離子峰.對于碳鏈來說，通過鍵長和鍵級的變化可以看出，大部分C—C鍵的強度小幅降低，同時由于PFOS的化學結構為鏈狀結構，這意味著碳主鏈在外界能量達到一定程度后，C—C鍵會發生斷裂，從而產生相應的碎片離子峰.

表2 鍵長和Mayer鍵級變化Tab.2 The Change of Bond Length and Mayer Bond Order

2.5 鍵斷裂能

根據鍵能理論，化學鍵的鍵能越大越難斷裂，因此在質譜誘導碰撞裂解(collision-induced dissociation,CID)過程中，母離子形成后，產生碎片離子所需的鍵斷裂能越小，斷裂過程越容易發生，該碎片離子越容易被質譜表征出來[9].PFOS的CID-MS2裂解能計算結果見表3.

表3 PFOS CID-MS2裂解能Tab.3 Bond Dissociation Energy of PFOS in CID-MS2

由表3可以看出，產生SO3-的鍵斷裂能最小，這意味著該化學鍵最易斷裂，所以m/z80在二級質譜中是除母離子之外響應最高的峰，對于帶有SO3-基團的碎片離子峰來說，產生CF2SO3-(m/z130)，C2F4SO3-(m/z180)，C3F6SO3-(m/z230)，C4F8SO3-(m/z280)和C5F10SO3-(m/z330)的鍵斷裂能也處在較低的水平，在二級質譜中也具有一定的峰強度，其中C3F6SO3-(m/z230)和C4F8SO3-(m/z280)在二級質譜中響應較高.從總體趨勢上看，帶有SO3-基團的碎片離子，產生的碎片離子所需的鍵斷裂能越小，碎片離子在質譜中的響應越高，這意味著對于帶有同種負離子基團的碎片離子，可以根據產生不同碎片離子的鍵能判斷其產生碎片離子峰的相對大小.值得注意的是，在C2—C3和C3—C4發生斷裂時，產生碎片離子C2F5-(m/z119)和C3F7-(m/z169)，不含SO3-基團，但仍然帶有1個負電荷，通過NPA電荷分析，可以看出C2的電荷比C3的少，推測在母離子的C2—C3共價鍵斷裂時，電子被C2吸引，使共價鍵發生異裂，從而形成C2F5-(m/z119)負離子，同理，C3的電荷比C4的少，所以母離子C3—C4共價鍵斷裂也會發生異裂，從而形成C3F7-(m/z169)負離子.同時,C2F5-(m/z119)和C3F7-(m/z169)的峰強度與 C2—C3和C3—C4的鍵斷裂能也體現了一定關聯， 由于C3—C4的鍵斷裂能小于C2—C3的鍵斷裂能，因此C3F7-(m/z169)的峰強度要大于C2F5-(m/z119)的峰強度.

2.6 m/z 99的碎片離子質譜解析

PFOS的鏈狀結構決定了碎片離子大部分都由母離子直接裂解形成，但是m/z99的結構為FSO3-，由母離子直接裂解并不能形成此結構.由表2可知，PFOS在形成準分子離子過程中，C8,F28和F29的鍵長增加，鍵級減小，且變化程度較大，說明C8—F28和C8—F29的共價鍵穩定性降低，容易在CID作用下發生斷裂，因此，推測FSO3-(m/z99)的氟原子可能是由與C8相連的F28和F29中的任意一個氟原子重排形成.為了進一步驗證氟原子的重排反應是否可以發生，對其反應過程進行計算，并給出了重排裂解反應的相對吉布斯自由能(見圖6)，其中TS1,TS2分別為F28,F29發生重排時的過渡態，括號內數字為相對吉布斯自由能(單位為kJ/mol).由圖6可以看出，C8上的F28,F29經過一個三元環的過渡態轉移到磺酸基的硫原子上，從而生成FSO3-(m/z99).F28,F29發生重排時的過渡態能量分別為264.97,267.90 kJ/mol，發生反應所需要跨越的能量壁壘較低，且2種反應途徑能量相差不大，所以F28,F29均有可能發生重排.

圖6 m/z 99碎片離子形成途徑及相對吉布斯自由能變化Fig.6 The Formation Pathway of m/z 99 Fragment Ion and the Change of Relative Gibbs Free Energy

3 結 論

采用基于密度泛函理論的量子化學計算方法對PFOS的質譜裂解過程進行了理論分析，通過對分子結構的分析確定初始電離位點，分析了分子電離后NPA電荷的分布，并通過電子密度差、鍵能、Mayer鍵級和鍵解離能綜合分析PFOS形成準分子離子后的裂解過程，結果表明，大部分的碎片離子都是由母離子主鏈在不同位置斷裂形成的，除C2F5-(m/z119)和C3F7-(m/z169)外，其余碎片離子均帶有磺酸基.同時，通過理論計算驗證了FSO3-(m/z99)是通過氟原子重排形成的.通過研究PFOS的質譜裂解規律，可進一步為其他全氟化合物的質譜裂解規律提供理論依據，也可為研究其他化學物質的質譜裂解規律提供方法參考.