微液滴中N,N-二甲基苯胺類化合物的氧化行為研究

李晶鈴,張小平,胡平花,鄭明鈺,張興磊,胡麗云,蘇 蕊,陳煥文,3

(1.東華理工大學江西省質譜科學與儀器重點實驗室,江西 南昌 330013;2.吉林大學無機合成與制備化學國家重點實驗室,吉林 長春 130012;3.江西中醫藥大學藥學院,江西 南昌 330004)

N,N-二甲基苯胺(DMA)在醫學方面通常作為合成醫藥中間體的原料[14],在食品方面可以用于合成香蘭素[15]。目前,DMA的研究主要集中在定量檢測方面[14,16],而對其氧化反應和氣相解離反應機理的研究較少。Zare課題組[17]利用電化學質譜聯用技術檢測到了1種半衰期小于1 μs的瞬態中間體DMA+·,該中間體的產生來自電化學氧化過程。張新星課題組[18]探究了DMA+·與吩惡嗪的C-H/N-H交叉偶聯反應。

本文以微滴噴霧質譜和串聯質譜技術為手段,研究DMA類物質的氧化行為和裂解反應,同時考察不同實驗條件和取代基模式對產生DMA+·的影響,并利用串聯質譜技術探究DMA+·和質子化離子的解離反應。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

電噴霧離子源(ESI):實驗室自行研制搭建;LTQ-XL型線性離子阱質譜(LTQ-MS)儀:美國Finnigan公司產品,配有Xcalibur數據處理系統。

甲醇、乙腈:均為色譜純,美國Sigma-Aldrich公司產品;N,N-二甲基苯胺、N,N-二乙基苯胺:上海百靈威有限公司產品;N,N-二甲基對甲苯胺、N,N-二甲基間羥基苯胺:上海阿拉丁生化科技有限公司產品;N2、He(純度>99.999%):江西國騰氣體有限公司產品;實驗用去離子水:由東華理工大學質譜科學與儀器重點實驗室提供。

1.2 反應裝置操作

自行研制的微液滴反應裝置示意圖示于圖1,主要由2個通道組成,即樣品通道A和氣體通道B。在樣品通道A中,樣品以10 μL/min通過石英毛細管到達另一端口;在氣體通道B中,N2以一定的流速經過石英毛細管的上部,在石英毛細管尖端將樣品溶液霧化成微液滴,在N2的帶動下,濕潤的微液滴不斷轉移到毛細管尖端,形成的微液滴進入質譜在線分析檢測。與電噴霧電離不同的是,該裝置沒有對溶液施加電壓。在具體的實驗過程中,需要對離子源參數進行優化以達到最佳檢測效果,并調整位置使樣品通道出來的微小液滴與質譜儀入口保持在同一水平軸上。

圖1 N,N-二甲基苯胺形成自由基陽離子的實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatus for the generation of N, N-dimethylaniline radical cations

1.3 質譜條件

線性離子阱質譜采用正離子檢測模式,質量掃描范圍m/z15～200。惰性氣體氣壓、液體流速、樣品濃度分別在0.2～0.7 MPa、2～16 μL/min、1～100 μmol/L之間優化;石英毛細管尖端與質譜儀入口之間的距離可以改變,并定義為反應距離,在5～35 mm之間優化。串聯質譜分析時,離子的最大進入時間為300 ms,母離子的隔離窗口寬度設定為m/z1.0,活化值Q為0.25,碰撞活化時間為30 ms,碰撞氣體為氦氣(純度99.999%),碰撞能量為20%～30%,其他參數由LTQ-Tune軟件系統自動優化,使目標離子的信號強度達到最佳。

1.4 電化學條件

在CHI-660E電化學工作站上進行線性掃描伏安(LSV)法實驗,以直徑0.3 mm Pt電極為工作電極,0.5 mm Pt電極為對電極,Ag/AgCl為參比電極,掃描速率設置為0.01 V/s。為測試氧化電位,用乙腈-甲醇(7∶3,V/V)溶液分別制備1 mmol/LN,N-二甲基苯胺、1 mmol/LN,N-二甲基對甲苯胺、1 mmol/LN,N-二甲基間羥基苯胺和1 mmol/LN,N-二乙基苯胺溶液。

2 結果與討論

2.1 N,N-二甲基苯胺的氧化行為與解離反應研究

以DMA為模型,使用注射泵將DMA樣品溶液推進熔融石英毛細管中,該毛細管上方流經高壓N2,將樣品霧化為微小液滴。經質譜在線分析檢測,可觀測到基峰離子DMA+·(m/z121)和低豐度離子[DMA+H]+(m/z122),示于圖2a,與傳統的電噴霧質譜實驗結果(通常產生[DMA+H]+)不同。這主要是由于DMA形成的微液滴在外圍自發產生了超高電場(～109 V/m),該電場使反應加速,去除了DMA中的電子形成DMA+·。有研究[19]表明,微液滴表面可以充當電化學電池,而高電場產生的原因是由于帶電離子選擇性地分配到液滴表面,從而在液滴表面形成雙層電離子,第1層是OH-、HCO3-等,第2層是帶正電荷離子的積累。

注:a.DMA的一級質譜圖;b.DMA+·的二級質譜圖;c.[DMA+H]+的二級質譜圖;d.DMA形成自由基陽離子和質子化離子的裂解反應過程圖2 N,N-二甲基苯胺的氧化行為與裂解反應Fig.2 Oxidation behaviors and fragmentation processes of N, N-dimethylaniline

以DMA的氧化反應為例,討論形成這些產物離子的機理過程。產生氧化反應的第一步是通過微液滴表面的超高電場從基底去除1個電子,形成自由基陽離子m/z121(圖2a)。在液態水中,1個電子對底物的氧化需要一定的能量,因此會導致反應速度被限制。但在微液滴中,超高電場能夠較好地克服這些能壘,加速反應,使物質被氧化形成大量的自由基陽離子[20]。為探究自由基陽離子的解離反應,對DMA+·進行串聯質譜分析,結果示于圖2b。碎片離子m/z120是由于丟失氫自由基形成共振穩定的芳香亞胺,其進一步發生甲基遷移反應,丟失HC≡N形成質子化甲苯m/z93,裂解反應過程示于圖2d。DMA與質子化水分子發生質子轉移反應形成低豐度的質子化離子[DMA+H]+(m/z122),其經過碰撞誘導解離主要產生m/z121、107碎片離子,分別為丟失氫自由基和甲基自由基形成的N,N-二甲基苯胺自由基陽離子,以及丟失甲基自由基形成的N-甲基苯胺自由基陽離子,示于圖2c,其裂解反應過程示于圖2d。

2.2 不同取代基對氧化行為與解離反應的影響

為進一步探究N,N-二甲基苯胺類物質在水微滴化學中形成自由基陽離子的普適性,對4-甲基-N,N-二甲基苯胺、3-羥基-N,N-二甲基苯胺、N,N-二乙基苯胺等3種不同取代基官能團的N,N-二甲基苯胺類物質進行研究。結果表明,不同取代基的N,N-二甲基苯胺類物質與N,N-二甲基苯胺有類似的規律,4-甲基-N,N-二甲基苯胺、3-羥基-N,N-二甲基苯胺和N,N-二乙基苯胺在水微液滴中均形成了相應的自由基陽離子和質子化離子,分別為m/z135、136(圖3a),m/z137、138(圖3b)和m/z149、 150(圖3c)。它們之間的顯著差異在于自由基陽離子與質子化離子的相對豐度大小不一致,如,4-甲基-N,N-二甲基苯胺的自由基陽離子豐度顯著高于質子化離子,與DMA的行為完全一致;3-羥基-N,N-二甲基苯胺的自由基陽離子豐度略低于質子化離子;而N,N-二乙基苯胺的自由基陽離子豐度顯著低于基峰質子化離子。產生這種現象的原因是,對位有甲基取代時,供電子效應明顯,使自由基陽離子穩定而形成較高豐度;當間位有羥基取代基時,供電子能力減弱,導致形成的自由基陽離子豐度略低于質子化離子;當氮原子上的甲基被乙基替換時,較難形成自由基陽離子,可能是因為空間位阻增大不利于自由基陽離子的穩定。

注:a.4-甲基-N,N-二甲基苯胺的一級質譜圖;b.3-羥基-N,N-二甲基苯胺的一級質譜圖;c.N,N-二乙基苯胺的一級質譜圖;d.4-甲基-N,N-二甲基苯胺自由基陽離子的二級質譜圖;e.3-羥基-N,N-二甲基苯胺自由基陽離子的二級質譜圖;f.N,N-二乙基苯胺自由基陽離子的二級質譜圖;g.質子化4-甲基-N,N-二甲基苯胺的二級質譜圖;h.質子化3-羥基-N,N-二甲基苯胺的二級質譜圖;i.質子化N,N-二乙基苯胺的二級質譜圖;圖中的結構與標有星號的離子相對應圖3 不同取代基N,N-二甲基苯胺衍生物的質譜圖Fig.3 MS spectra of N, N-dimethylaniline derivatives containing different substituent groups

串聯質譜可以為物質結構解析提供豐富的碎片數據,相當于一個小型的“氣相化學實驗室”。在氣相化學實驗中經常會觀測到許多重排反應,如負氫遷移[21]、芐基陽離子遷移[22]、磺酰陽離子遷移[23]、硫遷移[24]、鹵素遷移[25-26]、甲基遷移[27-28]等。含不同取代基模式的N,N-二甲基苯胺類似物的自由基陽離子的解離行為與DMA自由基陽離子的解離行為一致,串聯質譜數據示于圖3d～3i。如,通過分析4-甲基-N,N-二甲基苯胺自由基陽離子(m/z135→)、3-羥基-N,N-二甲基苯胺自由基陽離子(m/z137→)、N,N-二乙基苯胺自由基陽離子(m/z149→)的串聯質譜數據,它們均分別丟失氫自由基形成相應的共振芳香亞胺產物離子m/z134(圖3d)、m/z136(圖3e)和m/z148(圖3f),并分別進一步發生甲基遷移、甲基遷移、乙基遷移反應丟失HC≡N、HC≡N、CH3C≡N分子,形成質子化二甲苯(m/z107)、質子化間羥基甲苯(m/z109)和質子化二甲苯(m/z107)。從質譜數據可以發現,供電子基團能夠促進甲基遷移反應的發生。3種不同取代基模式N,N-二甲基苯胺類物質的質子化離子經碰撞誘導解離后,主要分別產生丟失氫自由基與相應的甲基/乙基自由基后的碎片離子,示于圖3g～3i,解離模式與DMA一致。

2.3 N,N-二甲基苯胺發生氧化反應的條件優化

以N,N-二甲基苯胺自由基陽離子m/z121信號強度為目標,對反應距離、N2氣壓、樣品流速、樣品濃度等條件進行優化。選擇反應距離為5、10、15、20、25、30、35 mm,分別將樣品注入質譜儀進行檢測。結果表明,隨著反應距離的增加,目標離子m/z121的信號強度呈先增高后降低的趨勢;當反應距離達到30 mm時,目標離子的信號強度最高,示于圖4a。這是因為當噴口與質譜儀入口之間的距離過遠時,微滴無法完全到達。因此,選擇反應距離30 mm。

注:a.反應距離;b.N2氣壓;c.樣品流速;d.樣品濃度圖4 實驗參數對N,N-二甲基苯胺自由基陽離子產物強度的影響Fig.4 Effects of experimental parameters on the strength of N, N-dimethylaniline radical cationic products

DMA+·的產生與N2氣壓密切相關,在自制離子源可以承受的氣壓范圍內,選擇0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7 MPa進行實驗。結果表明,隨著N2氣壓的增加,m/z121離子豐度逐漸增強,示于圖4b。這可能是由于氣壓越高,微滴分離速度越快,并將微滴尺寸變得更小。綜合考慮安全、氣體價格等因素,選擇N2氣壓為0.6 MPa。

為了獲得高豐度的DMA+·,進一步對樣品流速2、4、6、8、10、12、14、16 μL/min進行優化。結果發現,隨著樣品流速的增大,目標離子信號呈先升高后降低的趨勢;當流速過高時,霧化效率降低,微滴尺寸變大,使信號強度降低。在10 μL/min時,m/z121離子豐度最優,示于圖4c。由于質譜進樣濃度不宜過高,因此選擇1、10、20、40、80、100 μmol/L對m/z121進行實驗,結果示于圖4d?？梢?隨著濃度的增加,m/z121的信號強度呈上升趨勢,在100 μmol/L時,目標離子的信號強度達到最高,可能是樣品濃度越高,分子間的接觸越密集,更容易形成DMA+·。綜上所述,選擇反應距離30 mm,N2氣壓0.6 MPa,樣品流速10 μL/min,樣品濃度100 μmol/L進行實驗。

2.4 電化學實驗測試

為探究含不同取代基模式的N,N-二甲基苯胺類物質產生自由基陽離子和質子化離子豐度差異變化的原因,對這些物質進行電化學實驗測試,結果示于圖5和表1?？梢园l現,可將微液滴表面作為電化學電池,DMA和4-甲基-N,N-二甲基苯胺的氧化勢低于OH-的氧化勢,因此該類物質容易失去電子而被氧化為自由基陽離子,示于圖5a、5b。3-羥基-N,N-二甲基苯胺的氧化勢略低于OH-的氧化勢,示于圖5c,因此可以失去電子而被氧化成自由基陽離子,但比DMA困難。而N,N-二乙基苯胺的氧化勢遠高于OH-,示于圖5d,因此底物不容易失去電子,在電場中難以被氧化形成高豐度的自由基陽離子。該電化學實驗結果與質譜微液滴反應的結果一致。

表1 線性掃描伏安法測定OH-與底物的氧化電位Table 1 Determination of oxidation potentials of OH- and substrates by linear sweep voltammetry

注:a.N,N-二甲基苯胺;b.4-甲基-N,N-二甲基苯胺;c.3-羥基-N,N-二甲基苯胺;d.N,N-二乙基苯胺圖5 不同取代基模式的N,N-二甲基苯胺類物質的線性掃描伏安圖Fig.5 Linear sweep voltammetry of N, N-dimethylanilines with different substituent groups

3 結論

本文以微滴噴霧質譜和串聯質譜技術研究DMA及其衍生物的氧化行為和裂解反應。結果表明,利用微液滴在空氣-水界面自發產生的超高電場可以使DMA及其衍生物發生氧化反應,形成豐富的自由基陽離子。產生該現象的原因是,由于DMA的氧化勢低于OH-,因此可以失去電子發生氧化反應而產生DMA+·。通過改變反應距離、載氣氣壓、進樣流速、樣品濃度等參數,探究實驗條件對產生DMA+·的影響。同時,考察了不同取代基模式對DMA+·的影響,發現對位存在供電子基團有利于自由基陽離子的穩定。進一步通過串聯質譜技術探究DMA+·和[DMA+H]+的裂解行為,發現DMA+·解離后主要丟失氫自由基以及進一步發生甲基遷移反應丟失HC≡N,當DMA的對位連接供電子基團時,會促進該遷移反應發生;[DMA+H]+解離后主要分別產生丟失氫自由基與相應的甲基/乙基自由基形成的碎片離子。該研究有助于加深對水微滴化學促進氧化反應特性的理解,豐富了苯胺類化合物在氣相解離中的重排反應類型。