李俊芳 符继红 付 佩 张旭龙 朱 然 王吉德

(新疆大学化学化工学院，乌鲁木齐 830046)

乙二胺钴氧合反应的电喷雾串联质谱研究

李俊芳 符继红 付 佩 张旭龙 朱 然 王吉德＊

(新疆大学化学化工学院，乌鲁木齐 830046)

采用电喷雾多级串联质谱技术对氧载体模型化合物乙二胺钴氧合产物的的质谱裂解规律进行了探讨。以固相法合成的乙二胺钴吸氧初和吸氧6 d两个阶段为研究体系，在正离子电喷雾质谱条件下能够清楚地观测到乙二胺钴氧合配合物的特征碎片离子。对其中m/z 150.86的碎片峰进行子离子扫描，可得到失去中性氧分子(M=32)的子离子碎片峰(m/z 118.85)，从而可进一步确认其为氧合配合物碎片峰。本文采用电喷雾多级串联质谱技术对吸氧初和吸氧饱和后的两个体系进行了合理的初步探讨，根据所得质谱数据对乙二胺钴氧合产物的结构、裂解规律及氧气的存在形态给出初步合理的推论，结果表明，吸氧过程是一个老化的过程，乙二胺钴配合物从吸氧初到吸氧饱和后，其形态经历了从双核过氧桥联配合物到双核过氧羟基双桥联配合物形态的转变。初步确立电喷雾质谱(ESI-MS)可做为研究氧合反应和表征氧合配合物的有效技术手段。

乙二胺钴；电喷雾串联质谱；氧合反应；氧载体；固相反应

氧载体是一类能够可逆吸收分子氧的特殊金属配合物。自从人们发现生物体内氧气的运输就是血红蛋白与氧气可逆的吸氧放氧过程后，氧载体的研究引起了广泛的关注[1-4]。但天然氧载体分子量大、结构复杂，直接研究其载氧机制困难较多，因此，常用小分子做为模型化合物用于氧载体的研究。乙二胺钴配合物的分子量小，结构简单，且吸氧反应明显，是一类很好的氧载体模型化合物[5]。对乙二胺钴氧合反应的研究对探明氧分子的可逆键合、活化和氧化机制具有重要意义。现已报道的氧载体模型化合物大多是在液相或者从液相制备后提取出固相产物进行研究，而用固相化学法制备氧载体模型化合物尚不多见。本实验室首次采用室温固相法合成了乙二胺钴氧合配合物[6]。虽然乙二胺钴吸氧后氧气的存在形态有多种观点，但因缺少直接测定方法而未被完全确定。目前确定氧合配合物的研究多采用分光光度法[7-8]、pH电位法[9-10]、氧电极法[11]、量气法[12]、伏安法[13]、电子自旋共振和红外光谱法[14]等测试手段。

电喷雾质谱(ESI-MS)技术是鉴定有机化合物结构的重要工具之一，可以提供丰富的碎片信息和分子量信息，从而可以推测和验证已知和未知化合物的结构，具有分析速度快和灵敏度高等优点。其串联质谱技术(ESI-MS/MS)近年来在各个分析领域得到了广泛的应用。目前，串联质谱技术在金属配合物的结构分析中的应用已趋成熟[15-18]，但质谱法对氧合配合物的表征应用还是鲜见于文献报道。本文采用三重四级杆液相色谱质谱/质谱联用技术，对固相法合成的乙二胺钴配合物吸氧初和充分吸氧后两个阶段的氧合形态进行了质谱研究，结果得到了高丰度的含分子氧的碎片峰。并从含分子氧(丰度大于50%)的碎片峰中得到了脱分子氧(M=32)的次级碎片峰。根据所得质谱数据对乙二胺钴氧合产物的结构、裂解行为及氧气的存在形态给出合理的推论，并初步确立了电喷雾质谱(ESI-MS)可做为研究氧合反应和表征氧合配合物的有效技术手段。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

美国Waters公司ACQUITY UPLC system(Waters，Milford，MA，USA) 三重四级杆液相色谱质谱/质谱联用仪；德国MBraun公司MBraun UNIlab惰性气体手套箱；玛瑙研钵；ELGA公司ULTRA ANMK2超纯水仪；乙二胺 (L)及醋酸钴Co(Ⅱ)(CH3COO)2·4H2O均为分析纯； 实验用水为 18.2 MΩ·cm超纯水。

1.2 质谱条件

取适量样品溶于超纯水中，在正离子模式下进行检测。毛细管电压3.5 kV；离子源温度120℃；脱溶剂气温度450℃；脱溶剂气流量400 L·h-1；锥孔气流量 50 L·h-1；锥孔电压 60 V；流动相 VCH3CN∶VH2O=1∶1；流速 0.2 mL·min-1。 样品溶解于高纯水中配制成 400 ng·μL-1的水溶液。扫描范围 50～900 amu。脱溶剂气、雾化气和锥孔气为氮气，碰撞气为氩气。

1.3 样品制备

固相合成法制备乙二胺钴配合物。为避免乙二胺钴的配合物在空气中迅速结合氧气生成氧合配合物，配合物在UNILab手套箱(氩气气氛)中合成。将0.9 g的乙二胺和1.25 g的醋酸钴放置于玛瑙研钵中充分研磨，直至配合物颜色由粉红色变为颜色不再改变的棕红色为止。反应结束后将合成的样品分为两份，一份迅速从手套箱中取出，配成400 ng·μL-1的水溶液，立即进行质谱检测。另一份充分吸氧6 d后进行质谱测试。

2 结果与讨论

乙二胺钴配合物的合成在氩气保护下的手套箱中进行，对样品进行稀释及过滤的过程使其在空气中暴露10 min左右,在这个过程中样品的颜色一直迅速加深，可知吸氧反应已经开始进行。为考查乙二胺钴氧合配合物的吸氧变化过程，选取了吸氧初(10 min)、吸氧 2 h、4 h、6 h、6 d、16 d 和 30 d 等 7个吸氧时间点的氧合配合物作为研究对象，对其进行了LC-MS/MS全扫描分析。结果发现不同吸氧时间点的氧合配合物的全扫描质谱图表现出一定的变化规律。吸氧初的乙二胺钴氧合配合物的质谱图与其余吸氧时间点的质谱图相比，碎片离子峰差异较大，高丰度的碎片峰表现出较强的特有性。从吸氧2 h、4 h、6 h和6 d的乙二胺钴氧合配合物的质谱图的特征峰和离子峰相对强度的变化推测从吸氧2 h到吸氧6 d是一个氧合形态逐渐减少，氧化形态逐渐增加的老化过程。但吸氧6 d后的氧合配合物的特征峰质谱图与16 d和30 d相比不再发生变化，与本实验室所测乙二胺钴氧合反应性能的实验数据相吻合[19]，乙二胺钴配合物充分吸氧6 d后吸氧量不再发生变化达到吸氧饱和。因此，选取了乙二胺钴吸氧初和充分吸氧6 d两个阶段作为研究体系。对样品的溶解体系进行了考察，乙二胺钴配合物易溶于极性较强的溶剂。甲醇、乙醇和水溶液极性都较强对乙二胺钴配合物具有较好的溶解性，并且适用于液相色谱质谱的检测。但甲醇溶剂的分子量为32与实验考查的氧分子分子量相同，会对实验数据的分析产生干扰。最终选择乙醇溶剂和水溶液分别将乙二胺钴配合物溶解后在相同的质谱条件下进行检测。结果发现乙醇溶液和水溶液样品全扫描质谱图的碎片特征峰没有差异，但水溶液样品特征峰强度明显高于乙醇溶解的样品，所以选择高纯水作为溶解固体乙二胺钴的溶液。对乙二胺钴配合物在正、负离子模式下的质谱裂解行为进行了考察，结果表明，配合物在正离子模式下的峰强度比负离子模式下高将近一个数量级，因此，正离子模式更适合乙二胺合钴氧载体的质谱研究，具有更高的灵敏度。

2.1 乙二胺钴氧载体吸氧初的质谱裂解

乙二胺钴配合物从手套箱中取出与空气接触后吸氧反应开始进行。将样品溶解后立即进行质谱检测。图1为此乙二胺钴配合物的全扫描质谱图。从图中可知，乙二胺钴配合物的质谱图比较复杂，除基峰(m/z 177.89)外，在较宽的质量范围内均分布有丰度不一的质谱峰。对其中丰度较高的m/z 133.89，150.86，177.89，312.90 和 387.78 等 离 子 进行了正离子模式下的子离子扫描，推测了其裂解规律 (表1，相应结构见图3)，发现在正离子模式下离子容易失去乙二胺 (L)和乙酸 (HAc)等中性分子，相应的质谱峰分别归属为[(L-H)CoⅡ(NH2)]+(m/z 133.89)， [LCoⅢ(O22-)]+(m/z 150.86)， [LCoⅡ(Ac)]+(m/z 177.89)，[L2CoⅢ(Ac)2(NH2)]+(m/z 312.90)和[(L3-H)CoⅢCoⅡ(O22-)]+(m/z 387.78)。丰度相对较高的 m/z 150.86的离子引起关注，按结构推测其应为配位一氧气分子的离子，为验证配位的氧分子，对其进行了子离子扫描(子离子扫描图及裂解规律见图2)。对其碎片峰进行解析发现了丢失中性分子O2后的碎片m/z 118.85及其它相关碎片。通过对可丢失中性氧分子(M=32)的氧合配合物碎片峰的发现，佐证了氧合配合物中氧气分子的存在。含有分子氧的碎片离子m/z 150.86在吸氧初期的质谱图中丰度较高 (＞50%)，与此氧合配合物在吸氧初具有吸氧放氧性能的实验数据一致。经对全扫描和子离子扫描的电喷雾质谱分析，推测乙二胺钴在吸氧反应的初期阶段主要生成了产物1，其对应结构为[L5CoⅢ2(O22-)](Ac)4(M=686.25)，与文献报道的结构相符[20]。此氧合配合物为氧载体的有效形式，具有吸氧放氧性能，分子氧O2的存在形式为过氧型，其结构及裂解规律见图3。实验结果表明，吸氧后的乙二胺钴配合物的金属中心Co向氧分子转移电子，使氧分子活化形成过氧形态，同时Co(Ⅱ)被氧化成Co(Ⅲ)，生成双核过氧桥联配合物。

表1 正离子模式下配合物ESI-MS/MS数据Table 1 Positive ion ESI-MS/MS data for the complexes

2.2 乙二胺合钴氧载体吸氧6 d的质谱裂解

固相法合成的乙二胺钴充分吸氧6 d后达到吸氧饱和。图4为乙二胺钴吸氧饱和后的全扫描质谱图。对其中丰度较高的m/z 296.88碎片离子进行了正离子模式下的子离子扫描，推测了其裂解规律(表1，相应结构见图5)，判断其对应离子形式为二配位的[L2CoⅢ(Ac)2]+。通过对全扫描和子离子扫描的电喷雾质谱分析，推测乙二胺钴在吸氧饱和后主要生成了双核过氧羟基双桥联配合物(产物2)，其对应结构为[L4CoⅢ2(OH)(O22-)](Ac)3(M=584.17)，配合物的结构形态与文献报道一致[21]。碎片离子m/z 150.73在吸氧饱和产物的质谱图中丰度较低(＜10%)，也完全符合吸氧饱和后的氧载体发生部分老化不再具有放氧性能的实验事实。此氧合配合物为氧载体的老化形式，不再具有吸氧放氧性能。推测乙二胺钴吸氧饱和后继续发生老化过程，分子氧在配合物中的存在形式部分仍为过氧型，部分发生老化生成羟基，使其完全失去了吸氧脱氧的性能而失活，其结构及裂解规律见图5。在全扫描质谱图中，m/z 606.71对应于该化合物的准分子离子峰[M+Na]+。通过对乙二胺钴质谱裂解规律的合理推论，发现乙二胺钴氧载体的吸氧过程经历了从双核过氧桥联配合物到双核过氧羟基双桥联配合物形态的转变。

固相法合成的乙二胺钴氧载体在吸氧初期和吸氧饱和后的产物质谱图相差很大，很容易看出不同吸氧时间带来的差异。对于吸氧初期的乙二胺钴氧载体在全扫描质谱图中可以得到明显的结构特征峰m/z115.90,133.89,150.86,177.89,312.90,387.78,447.83和564.74，对推测乙二胺钴吸氧初期时的形态[L5CoⅢ2(O22-)](Ac)4提供了依据。吸氧饱和后的老化产物特征碎片峰m/z58.97，177.70，236.82，296.88，412.73，546.55和606.71与吸氧初期的特征峰相比具有明显差别，根据质谱数据推测生成了相应的老化产物[L4CoⅢ2(OH)(O22-)](Ac)3。因此可以判断吸氧过程是个老化的过程，通过质谱解析推测乙二胺钴氧载体的吸氧过程经历了从双核过氧桥联配合物到双核过氧羟基双桥联配合物形态的转变，同时其吸氧性能发生了从具有吸氧放氧能力到吸氧后期分子氧发生老化失去吸氧能力的过程。

3 结 论

本文首次采用串联质谱技术对固相法合成的乙二胺钴氧合配合物进行了解析，根据串联质谱中获得的特征碎片离子推测了其结构，并对其吸氧初和吸氧饱和后的两个体系进行了合理的初步推论，为深入研究氧载体配合物提供了实验依据。在此基础上初步确立了电喷雾质谱(ESI-MS)技术是一种研究氧合反应和表征氧合配合物的有效手段。

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Oxygenation Reaction of Ethylenediamine Cobalt Complex by Electrospray Tandem Mass Spectrometry

LI Jun-Fang FU Ji-Hong FU PeiZHANG Xu-Long ZHU Ran WANG Ji-De＊
(College of Chemistry and Chemical Engineering,Xinjiang University,Urumqi 830046,China)

The ethylenediamine-cobalt complex，a known model compound of oxygen carriers,was investigated by electrospray ionization tandem mass spectrometry in this paper.The ethylenediamine-cobalt complex was synthesized by solid state reaction.Two sample systems of the complex,separately exposuring dioxygen for 10 minutes and continuously adsorbing oxygen for 6 days,were selected as investigated objects.Under the electrospray positive ion detection mode,the oxygenated ethylenediamine-cobalt complex dissociated readily to various characteristic fragment ions of the oxygenated complexes.One of the fragment ions (m/z 150.86)of the oxygenated complexes were confirmed by its daughter fragmen ion(m/z 118.85)which just lost a neutral fragment of dioxygen (M=32)by further scan fragmentizing.The experimental results indicated that the uptaking of dioxygen is an ageing process,and the structure of the oxygenated complex was changed from dinuclear peroxobridged complex to dinuclear peroxo-hydroxo dibridge complex in the evolution of oxygenation.Based on these results,the possible structures,corresponding fragmentation mechanism and the form of dioxygen existed in the oxygenated complex were proposed.ESI-MS method was confirmed to be an effective technique for characterizing oxygenated complexes and researching the oxygenation.

ethylenediamine cobalt;ESI-MS/MS;oxygenation;oxygen carriers;solid state reaction

O614.81+2

A

1001-4861(2011)11-2225-06

2011-05-25。收修改稿日期：2011-07-07。

国家自然科学基金(No.20961010，20762009)；教育部高校博士学位点专项科研基金(No.20096501110001)资助项目。

＊通讯联系人。 E-mail：awangjd@xju.edu.cn