基于電噴霧-離子淌度質譜技術檢測鈴木-宮浦的反應中間體

李 哲,邱朝輝,王偉民,2,徐福興,2,丁傳凡,2

(1.寧波大學材料科學與化學工程學院,浙江 寧波 315211;2.質譜技術與應用研究院,浙江省先進質譜技術與分子檢測重點實驗室,浙江 寧波 315211)

近年來,制藥以及化工行業為提高產量而改進生產工藝和優化反應過程,在整個化學反應體系中,反應過程最復雜。傳統的分析手段,如電子順磁共振、X射線衍射、核磁共振技術等,均存在儀器靈敏度低、操作過程繁瑣、需要預分離等問題,很難滿足檢測需求。質譜作為重要的分析方法之一,具有定性定量準確度高、靈敏度高、分析速度快等優點,廣泛應用于化學、生物、制藥、材料科學等領域[1]。近年來,質譜技術越來越多地用于研究有機化學反應機理及中間體,主要通過控制反應條件[2](如溫度、催化劑、有無氧氣等)得到關鍵產物,進而推導相應的反應機理,或通過分析特征譜圖推測反應機理。

鈀催化反應為構建不對稱偶聯反應提供了重要途徑,使有機合成發生了巨大變化[3],為化工產品與醫藥制劑的合成提供了新手段[4]。其中,鈀催化的有機硼酸或硼酸酯與有機鹵化物之間的交叉偶聯反應稱為鈴木-宮浦(Suzuki-Miyaura)反應[5],是目前最重要的碳-碳偶聯反應之一,已廣泛用于有機物[6]和藥品[7]的工業合成。由于該反應具有可靠性、官能團兼容性、操作簡單,使用的硼試劑容易獲得且成本低等優點[8],使鈴木章在2010年獲得了諾貝爾化學獎。由于Suzuki-Miyaura交叉偶聯反應的使用范圍廣泛[9],研究其反應機理成為一個重要方向,反應過程示意圖示于圖1,其中包括芳基鹵化物在Pd(0)催化下的氧化加成,然后與苯硼酸的轉移金屬化和與鈀形成Pd(Ⅱ)物種[10],最后經雙芳基的還原消除再生催化劑[11]。

圖1 Suzuki-Miyaura反應過程示意圖Fig.1 Schematic diagram of Suzuki-Miyaura reaction process

隨著電噴霧電離源技術的發展,其被應用于均相金屬催化反應的機理研究,實現了傳統方法難以解決的有機金屬和配位化學表征問題[12-13]。電噴霧電離源作為一種軟電離技術[15],在對樣品溶液電離時,可以使較弱的鍵保持不變,適合研究過渡金屬催化反應的產物、反應物以及中間體[14]。電噴霧電離源技術可以檢測到溶液中帶電荷的物質或攜帶電荷的部位,但由于大多數常見的溶劑分子不攜帶電荷,所以一般情況下是“看不見的”[16-17]。1994年,Aliprantis課題組使用Vestec Model 200電噴霧-質譜檢測到Suzuki-Miyuara偶聯反應中間體[11],證明了電噴霧電離源-質譜可以從溶液中捕捉到反應中間體[18],但由于一些有機物中間體的存在形態不穩定,所以需“暫?！狈磻M程,例如,氧化所使用的催化劑[19]、降低反應體系溫度或控制反應pH值等[11]。

電噴霧-離子淌度質譜(ESI-IMS)作為新興的質譜技術被應用于物質分離,其中,捕集離子淌度質譜(TIMS)[20-21]可有效分離異構體,其原理是利用氣相離子的電荷、大小和形狀來控制不斷變化的電場和恒定的氣體流量,根據離子的微分碰撞截面(CCS)和遷移率差異達到分離的目的。TIMS可以解決質譜法不易分離異構體的缺點,增強質譜分析的多樣性[22-25]。但目前使用TIMS檢測Suzuki-Miyaura偶聯反應中間體的報道較少。

在進行Suzuki-Miyaura偶聯反應時,使用的鈀催化劑通常需要添加三苯基膦[26]、硫醚-三氮唑[27]等供電子配體,也可以使用無配體醋酸鈀催化反應[28]。本文擬使用雜環鹵代物與3種苯硼酸反應,以四(三苯基膦)鈀為催化劑,甲苯為反應溶劑,添加三乙胺為體系提供堿性環境,將反應液分別溶于-78 ℃甲醇溶液和1%三氟乙酸(TFA)甲醇溶液[11]中進行檢測。采用電噴霧-捕集離子淌度飛行時間質譜(ESI-TIMS-TOF MS)檢測Suzuki-Miyaura反應中間體,且使用MS/MS分析。此外,對中間體的離子淌度進行表征,分析其是否存在異構體,希望為Suzuki-Miyaura反應機理的探索提供新方式。

1 實驗部分

1.1 主要儀器與裝置

Bruker time-of-flight捕集離子淌度飛行時間質譜儀:德國布魯克公司產品;METTLER TOLEDO XS205DualRange型分析天平:瑞士梅特勒-托利多公司產品。

1.2 主要材料與試劑

3-溴吡啶(98%,相對分子質量158.00)、3-溴喹啉(98%,相對分子質量208.05)、TFA(98%,相對分子質量114.02):上海麥克林公司產品;3-溴-5-苯基吡啶(98%,相對分子質量234.09)、四(三苯基膦)鈀(Pd≥9.2%):上海阿拉丁公司產品;苯硼酸(98%,相對分子質量121.93)、2-甲基苯硼酸(98%,相對分子質量135.96)、3,5-二甲基苯硼酸(98%,相對分子質量149.98):安耐吉化學公司產品;三乙胺、甲醇:均為HPLC級,美國Thermo Fisher Scientific公司產品;甲苯(HPLC級):國藥集團化學試劑有限公司產品。

1.3 實驗條件

1.3.1離子源條件 所有檢測實驗均在ESI-TIMS-TOF MS上進行,且配備可運行正離子或負離子模式的電噴霧離子源[29]。離子源參數:流速5 mL/min,端蓋電極500 V,毛細管電壓3 600 V,N2壓強30 kPa,干燥氣流速3.0 L/min,干燥溫度200 ℃。

1.3.2反應條件 每次將1種溴代物與1種苯硼酸反應,示于圖2。將溴代物和苯硼酸固體加入反應瓶中,注入甲苯作為反應溶劑,滴加少量的三乙胺為反應提供堿性環境;使用真空泵抽去其中的空氣,再注入N2返復3次后,在N2氛圍下加入四(三苯基膦)鈀催化劑;設置反應溫度70 ℃,磁力轉子轉速200 r/min。

圖2 鈀催化3-溴吡啶、3-溴喹啉、3-溴-5-苯基吡啶與3種苯硼酸Fig.2 Palladium-catalyzed reactions of 3-bromopyridine, 3-bromoquinoline, 3-bromo-5-phenylpyridine with three benzeneboronic acids

1.3.3樣品配制 從反應溫度至70 ℃開始計時,反應35 min時取樣,使用移液槍移取一定體積溶液于-78 ℃甲醇溶液與1% TFA甲醇溶液中,得到中間體濃度約為10-5mol/L,冷卻至室溫后檢測。

2 結果與討論

2.1 中間體的質譜分析

反應過程中使用移液槍在線取樣,隨后分別溶解于-78 ℃甲醇與1%TFA甲醇溶液中,在電噴霧電離源條件下[30-31]檢測。其中,3-溴吡啶、3-溴喹啉、3-溴-5-苯基吡啶與3種苯硼酸氧化加成后形成的中間體A和轉移金屬化后形成的中間體B的結構分別示于圖3、4,質譜數據列于表1。實驗過程中發現,在1%TFA甲醇溶液中可以檢測到中間體A,但幾乎不能檢測到中間體B,可能由于酸性環境下中間體B被抑制生成,所以其只能在甲醇溶液等中性環境中穩定存在。在1%TFA甲醇溶液與甲醇溶液中,3-溴喹啉與苯硼酸反應得到的質譜圖示于圖5。由圖5a可見,溶解于1%TFA甲醇溶液的反應液的質譜圖中存在m/z711 [Pd(PPh3)2Br]+,由于該結構的鈀并未滿足配位結構,所以未與溶液中的H+結合,而與中間體A([C4H4(PyH)Pd(PPh3)2Br]+)的結構相似,推測其是由中間體A脫落喹啉基團形成的。由圖5b可見,溶解于甲醇溶液的反應液的質譜圖中存在碎片離子m/z631[Pd(PPh3)2]+,由于該結構中的鈀未滿足配位相應的配體,因此未與H+結合,通過對中間體B進行MS/MS分析也生成該離子,因此推測該結構來源于中間體B。由圖5c可見,在圖5b的m/z836同位素峰放大質譜圖中,主要存在中間體B以及信號較弱的中間體A。

表1 3種溴代物與3種苯硼酸氧化加成過程后生成的中間體A與轉移金屬化過程后生成的中間體B的質譜數據Table 1 Mass spectrometric data of intermediate A formed by oxidative addition of three brominates with three phenylboronic acids and intermediate B formed by transmetallation

圖3 氧化加成過程后生成的中間體Fig.3 Intermediates formed by oxidative addition

圖4 轉移金屬化過程后生成的中間體Fig.4 Intermediates formed by transmetallation

注:a.1%TFA甲醇溶液;b.甲醇溶液;c.圖b中m/z 836的放大譜圖圖5 3-溴喹啉與苯硼酸反應過程中取樣檢測的質譜圖Fig.5 Mass spectra detected from the sample taken during the reaction between 3-bromoquinoline and phenylboronic acid

在四(三苯基膦)鈀催化的Suzuki-Miyaura偶聯反應過程中,氧化加成步驟Pd(0)L2“插入”鹵素與喹啉之間,還原消去步驟中催化劑離開中間體B并被還原為Pd(0)L2。通過質譜分析可以檢測到氧化加成的中間體與轉移金屬化過程后的中間體,為了確定中間體的元素構成,將質譜元素同位素峰的分布數據與Bruker Isotope Pattern預測圖譜進行對比,示于圖6。

注:a.氧化加成過程后生成中間體A[C4H4(PyH)Pd(PPh3)2Br]+;b.轉移金屬化過程后生成中間體B[C4H4(PyH)Pd(PPh3)2C6H5]+圖6 3-溴喹啉與苯硼酸的反應中間體的同位素峰分布Fig.6 Isotope peak distributions of the intermediates formed during the reaction between 3-bromoquinoline and phenylboronic acid

2.2 中間體的MS/MS檢測

MS/MS可用來推測化合物的未知結構[32-33]。以3-溴喹啉與苯硼酸的反應為例,使用MS/MS在10 eV能量下對中間體A[C4H4(PyH)Pd(PPh3)2Br]+(m/z840)與中間體B[C4H4(PyH)Pd(PPh3)2C6H5]+(m/z836)進行檢測,示于圖7。結果表明,中間體A容易失去1個三苯基膦基團,生成碎片離子m/z578的結構為[C4H4(Py)Pd(PPh3)]+。中間體A結構中可與鈀配位的是2個三苯基膦基團,由于其中1個配體容易脫去,表明中間體A的2個三苯基膦配體所處環境不同,其空間結構可能為順式結構。中間體B會失去205 u生成[Pd(PPh3)2]+碎片離子,與中間體A相似,其2個三苯基膦所處環境不同,推測為順式空間結構。

圖7 以溴喹啉與苯硼酸反應為例,中間體A(m/z 840)(a)和中間體B(m/z 836)(b)的MS/MS譜圖Fig.7 Taking the reaction between bromopyridine and phenylboronic acid as an example, tandem mass spectra of intermediate A (m/z 840) (a) and intermediate B (m/z 836) (b)

2.3 中間體的離子淌度檢測

通過離子在漂移管中碰撞截面不同以達到分離目的,TIMS-MS適用于同分異構體的定性分析以及外標物的定量分析。使用離子淌度質譜分析3-溴喹啉與苯硼酸反應產生的中間體,示于圖8。結果表明,氧化加成中間體A[C4H4(PyH)Pd(PPh3)2Br]+(m/z840)可以分離出2個離子淌度峰,相差0.257 V·s/cm2;轉移金屬化過程后的中間體B[C4H4(PyH)Pd(PPh3)2C6H5]+(m/z836)也可以分離出2個離子淌度峰,相差0.270 V·s/cm2。通過分析該離子淌度下對應的質荷比可知,在反應過程中,三苯基膦易被氧化生成三苯基氧膦,并與檢測到的中間體配位生成m/z1 118、1 114離子,得到淌度相差較大的峰。由此推測,其可能是在電噴霧離子源形成噴霧過程中生成的,使得原本反應溶液中的中間體發生聚合變型現象,導致離子遷移率相差較大。

圖8 3-溴喹啉與苯硼酸反應中,氧化加成過程中間體(a)與轉移金屬化過程后中間體(b)的離子遷移譜圖Fig.8 Ion mobility spectra of the intermediates in the oxidative addition process (a) and transmetalation process (b) during the reaction between 3-bromopyridine and phenylboronic acid

3 結論

本研究采用搭配有電噴霧的離子淌度飛行時間質譜儀檢測Suzuki-Miyaura反應的氧化加成過程與轉移金屬化過程后生成的中間體,并通過MS/MS檢測中間體的裂解方式,發現氧化加成過程中間體上的三苯基膦基團易脫落,轉移金屬化過程后中間體在MS/MS模式下易解離為Pd(0)L2。此外,使用離子淌度分析反應的中間體,發現中間體A中存在2個離子遷移率相差較大的峰,可能由于電噴霧電離源的作用產生異構現象,導致離子遷移率大小不同。電噴霧離子淌度質譜技術為Suzuki-Miyaura反應研究提供了重要手段,有助于理解碳-碳偶聯等均相催化的反應機理。