基于电喷雾-离子淌度质谱技术检测铃木-宫浦的反应中间体

李 哲,邱朝辉,王伟民,2,徐福兴,2,丁传凡,2

(1.宁波大学材料科学与化学工程学院,浙江 宁波 315211;2.质谱技术与应用研究院,浙江省先进质谱技术与分子检测重点实验室,浙江 宁波 315211)

近年来,制药以及化工行业为提高产量而改进生产工艺和优化反应过程,在整个化学反应体系中,反应过程最复杂。传统的分析手段,如电子顺磁共振、X射线衍射、核磁共振技术等,均存在仪器灵敏度低、操作过程繁琐、需要预分离等问题,很难满足检测需求。质谱作为重要的分析方法之一,具有定性定量准确度高、灵敏度高、分析速度快等优点,广泛应用于化学、生物、制药、材料科学等领域[1]。近年来,质谱技术越来越多地用于研究有机化学反应机理及中间体,主要通过控制反应条件[2](如温度、催化剂、有无氧气等)得到关键产物,进而推导相应的反应机理,或通过分析特征谱图推测反应机理。

钯催化反应为构建不对称偶联反应提供了重要途径,使有机合成发生了巨大变化[3],为化工产品与医药制剂的合成提供了新手段[4]。其中,钯催化的有机硼酸或硼酸酯与有机卤化物之间的交叉偶联反应称为铃木-宫浦(Suzuki-Miyaura)反应[5],是目前最重要的碳-碳偶联反应之一,已广泛用于有机物[6]和药品[7]的工业合成。由于该反应具有可靠性、官能团兼容性、操作简单,使用的硼试剂容易获得且成本低等优点[8],使铃木章在2010年获得了诺贝尔化学奖。由于Suzuki-Miyaura交叉偶联反应的使用范围广泛[9],研究其反应机理成为一个重要方向,反应过程示意图示于图1,其中包括芳基卤化物在Pd(0)催化下的氧化加成,然后与苯硼酸的转移金属化和与钯形成Pd(Ⅱ)物种[10],最后经双芳基的还原消除再生催化剂[11]。

图1 Suzuki-Miyaura反应过程示意图Fig.1 Schematic diagram of Suzuki-Miyaura reaction process

随着电喷雾电离源技术的发展,其被应用于均相金属催化反应的机理研究,实现了传统方法难以解决的有机金属和配位化学表征问题[12-13]。电喷雾电离源作为一种软电离技术[15],在对样品溶液电离时,可以使较弱的键保持不变,适合研究过渡金属催化反应的产物、反应物以及中间体[14]。电喷雾电离源技术可以检测到溶液中带电荷的物质或携带电荷的部位,但由于大多数常见的溶剂分子不携带电荷,所以一般情况下是“看不见的”[16-17]。1994年,Aliprantis课题组使用Vestec Model 200电喷雾-质谱检测到Suzuki-Miyuara偶联反应中间体[11],证明了电喷雾电离源-质谱可以从溶液中捕捉到反应中间体[18],但由于一些有机物中间体的存在形态不稳定,所以需“暂停”反应进程,例如,氧化所使用的催化剂[19]、降低反应体系温度或控制反应pH值等[11]。

电喷雾-离子淌度质谱(ESI-IMS)作为新兴的质谱技术被应用于物质分离,其中,捕集离子淌度质谱(TIMS)[20-21]可有效分离异构体,其原理是利用气相离子的电荷、大小和形状来控制不断变化的电场和恒定的气体流量,根据离子的微分碰撞截面(CCS)和迁移率差异达到分离的目的。TIMS可以解决质谱法不易分离异构体的缺点,增强质谱分析的多样性[22-25]。但目前使用TIMS检测Suzuki-Miyaura偶联反应中间体的报道较少。

在进行Suzuki-Miyaura偶联反应时,使用的钯催化剂通常需要添加三苯基膦[26]、硫醚-三氮唑[27]等供电子配体,也可以使用无配体醋酸钯催化反应[28]。本文拟使用杂环卤代物与3种苯硼酸反应,以四(三苯基膦)钯为催化剂,甲苯为反应溶剂,添加三乙胺为体系提供碱性环境,将反应液分别溶于-78 ℃甲醇溶液和1%三氟乙酸(TFA)甲醇溶液[11]中进行检测。采用电喷雾-捕集离子淌度飞行时间质谱(ESI-TIMS-TOF MS)检测Suzuki-Miyaura反应中间体,且使用MS/MS分析。此外,对中间体的离子淌度进行表征,分析其是否存在异构体,希望为Suzuki-Miyaura反应机理的探索提供新方式。

1 实验部分

1.1 主要仪器与装置

Bruker time-of-flight捕集离子淌度飞行时间质谱仪:德国布鲁克公司产品;METTLER TOLEDO XS205DualRange型分析天平:瑞士梅特勒-托利多公司产品。

1.2 主要材料与试剂

3-溴吡啶(98%,相对分子质量158.00)、3-溴喹啉(98%,相对分子质量208.05)、TFA(98%,相对分子质量114.02):上海麦克林公司产品;3-溴-5-苯基吡啶(98%,相对分子质量234.09)、四(三苯基膦)钯(Pd≥9.2%):上海阿拉丁公司产品;苯硼酸(98%,相对分子质量121.93)、2-甲基苯硼酸(98%,相对分子质量135.96)、3,5-二甲基苯硼酸(98%,相对分子质量149.98):安耐吉化学公司产品;三乙胺、甲醇:均为HPLC级,美国Thermo Fisher Scientific公司产品;甲苯(HPLC级):国药集团化学试剂有限公司产品。

1.3 实验条件

1.3.1离子源条件 所有检测实验均在ESI-TIMS-TOF MS上进行,且配备可运行正离子或负离子模式的电喷雾离子源[29]。离子源参数:流速5 mL/min,端盖电极500 V,毛细管电压3 600 V,N2压强30 kPa,干燥气流速3.0 L/min,干燥温度200 ℃。

1.3.2反应条件 每次将1种溴代物与1种苯硼酸反应,示于图2。将溴代物和苯硼酸固体加入反应瓶中,注入甲苯作为反应溶剂,滴加少量的三乙胺为反应提供碱性环境;使用真空泵抽去其中的空气,再注入N2返复3次后,在N2氛围下加入四(三苯基膦)钯催化剂;设置反应温度70 ℃,磁力转子转速200 r/min。

图2 钯催化3-溴吡啶、3-溴喹啉、3-溴-5-苯基吡啶与3种苯硼酸Fig.2 Palladium-catalyzed reactions of 3-bromopyridine, 3-bromoquinoline, 3-bromo-5-phenylpyridine with three benzeneboronic acids

1.3.3样品配制 从反应温度至70 ℃开始计时,反应35 min时取样,使用移液枪移取一定体积溶液于-78 ℃甲醇溶液与1% TFA甲醇溶液中,得到中间体浓度约为10-5mol/L,冷却至室温后检测。

2 结果与讨论

2.1 中间体的质谱分析

反应过程中使用移液枪在线取样,随后分别溶解于-78 ℃甲醇与1%TFA甲醇溶液中,在电喷雾电离源条件下[30-31]检测。其中,3-溴吡啶、3-溴喹啉、3-溴-5-苯基吡啶与3种苯硼酸氧化加成后形成的中间体A和转移金属化后形成的中间体B的结构分别示于图3、4,质谱数据列于表1。实验过程中发现,在1%TFA甲醇溶液中可以检测到中间体A,但几乎不能检测到中间体B,可能由于酸性环境下中间体B被抑制生成,所以其只能在甲醇溶液等中性环境中稳定存在。在1%TFA甲醇溶液与甲醇溶液中,3-溴喹啉与苯硼酸反应得到的质谱图示于图5。由图5a可见,溶解于1%TFA甲醇溶液的反应液的质谱图中存在m/z711 [Pd(PPh3)2Br]+,由于该结构的钯并未满足配位结构,所以未与溶液中的H+结合,而与中间体A([C4H4(PyH)Pd(PPh3)2Br]+)的结构相似,推测其是由中间体A脱落喹啉基团形成的。由图5b可见,溶解于甲醇溶液的反应液的质谱图中存在碎片离子m/z631[Pd(PPh3)2]+,由于该结构中的钯未满足配位相应的配体,因此未与H+结合,通过对中间体B进行MS/MS分析也生成该离子,因此推测该结构来源于中间体B。由图5c可见,在图5b的m/z836同位素峰放大质谱图中,主要存在中间体B以及信号较弱的中间体A。

表1 3种溴代物与3种苯硼酸氧化加成过程后生成的中间体A与转移金属化过程后生成的中间体B的质谱数据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

图3 氧化加成过程后生成的中间体Fig.3 Intermediates formed by oxidative addition

图4 转移金属化过程后生成的中间体Fig.4 Intermediates formed by transmetallation

注:a.1%TFA甲醇溶液;b.甲醇溶液;c.图b中m/z 836的放大谱图图5 3-溴喹啉与苯硼酸反应过程中取样检测的质谱图Fig.5 Mass spectra detected from the sample taken during the reaction between 3-bromoquinoline and phenylboronic acid

在四(三苯基膦)钯催化的Suzuki-Miyaura偶联反应过程中,氧化加成步骤Pd(0)L2“插入”卤素与喹啉之间,还原消去步骤中催化剂离开中间体B并被还原为Pd(0)L2。通过质谱分析可以检测到氧化加成的中间体与转移金属化过程后的中间体,为了确定中间体的元素构成,将质谱元素同位素峰的分布数据与Bruker Isotope Pattern预测图谱进行对比,示于图6。

注:a.氧化加成过程后生成中间体A[C4H4(PyH)Pd(PPh3)2Br]+;b.转移金属化过程后生成中间体B[C4H4(PyH)Pd(PPh3)2C6H5]+图6 3-溴喹啉与苯硼酸的反应中间体的同位素峰分布Fig.6 Isotope peak distributions of the intermediates formed during the reaction between 3-bromoquinoline and phenylboronic acid

2.2 中间体的MS/MS检测

MS/MS可用来推测化合物的未知结构[32-33]。以3-溴喹啉与苯硼酸的反应为例,使用MS/MS在10 eV能量下对中间体A[C4H4(PyH)Pd(PPh3)2Br]+(m/z840)与中间体B[C4H4(PyH)Pd(PPh3)2C6H5]+(m/z836)进行检测,示于图7。结果表明,中间体A容易失去1个三苯基膦基团,生成碎片离子m/z578的结构为[C4H4(Py)Pd(PPh3)]+。中间体A结构中可与钯配位的是2个三苯基膦基团,由于其中1个配体容易脱去,表明中间体A的2个三苯基膦配体所处环境不同,其空间结构可能为顺式结构。中间体B会失去205 u生成[Pd(PPh3)2]+碎片离子,与中间体A相似,其2个三苯基膦所处环境不同,推测为顺式空间结构。

图7 以溴喹啉与苯硼酸反应为例,中间体A(m/z 840)(a)和中间体B(m/z 836)(b)的MS/MS谱图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 中间体的离子淌度检测

通过离子在漂移管中碰撞截面不同以达到分离目的,TIMS-MS适用于同分异构体的定性分析以及外标物的定量分析。使用离子淌度质谱分析3-溴喹啉与苯硼酸反应产生的中间体,示于图8。结果表明,氧化加成中间体A[C4H4(PyH)Pd(PPh3)2Br]+(m/z840)可以分离出2个离子淌度峰,相差0.257 V·s/cm2;转移金属化过程后的中间体B[C4H4(PyH)Pd(PPh3)2C6H5]+(m/z836)也可以分离出2个离子淌度峰,相差0.270 V·s/cm2。通过分析该离子淌度下对应的质荷比可知,在反应过程中,三苯基膦易被氧化生成三苯基氧膦,并与检测到的中间体配位生成m/z1 118、1 114离子,得到淌度相差较大的峰。由此推测,其可能是在电喷雾离子源形成喷雾过程中生成的,使得原本反应溶液中的中间体发生聚合变型现象,导致离子迁移率相差较大。

图8 3-溴喹啉与苯硼酸反应中,氧化加成过程中间体(a)与转移金属化过程后中间体(b)的离子迁移谱图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 结论

本研究采用搭配有电喷雾的离子淌度飞行时间质谱仪检测Suzuki-Miyaura反应的氧化加成过程与转移金属化过程后生成的中间体,并通过MS/MS检测中间体的裂解方式,发现氧化加成过程中间体上的三苯基膦基团易脱落,转移金属化过程后中间体在MS/MS模式下易解离为Pd(0)L2。此外,使用离子淌度分析反应的中间体,发现中间体A中存在2个离子迁移率相差较大的峰,可能由于电喷雾电离源的作用产生异构现象,导致离子迁移率大小不同。电喷雾离子淌度质谱技术为Suzuki-Miyaura反应研究提供了重要手段,有助于理解碳-碳偶联等均相催化的反应机理。