来源： CCSChemistry

近日，南开大学孔祥蕾团队报道了一种选择性生成胞苷自由基异构体的方法，通过基于调节紫外光解离（UVPD）的激光波长，在气相中实现了两种胞苷自由基异构体的选择性生成。进一步通过红外光解离（IRMPD）光谱的实验，结合理论计算证明了两种异构体的结构，并解释了其形成机理。此策略有望通过调谐紫外激发波长和在前驱体中合理地引入C-I键，在自由基异构体的选择性生成和结构研究中进一步发挥作用。

图1. (a)通过调节波长控制光解产生胞苷自由基的实验装置；(b) 实验步骤。

背景介绍：

RNA和DNA暴露于高能辐射下会发生包括链断裂、突变和核酸损伤等多种物理和化学变化，而碱基或核苷衍生的自由基是这些过程中重要的瞬态中间体。此类研究中一个主要的困难是如何建立一个有效的方法来产生和研究这些不稳定的物种。目前，已经开发了几种基于质谱的方法应用于此类物种在气相中的研究。如利用固定电荷基团对自由基进行标记后，结合紫外-可见光解离光谱和理论计算对相关自由基进行相应的研究。另一种方法是则需要借助于电喷雾电离（ESI）生成三元过渡金属配合物的串联质谱加以产生，并通过更进一步的串联质谱或光解离光谱来进行研究。尽管如此，对广泛存在的自由基异构体，其捕捉和结构确定仍然相当困难，因此开发新的技术来开展此类研究具有重要的意义，也富有挑战性。

本文亮点：

近期，孔祥蕾团队利用傅里叶变换离子回旋共振（FT-ICR）质谱与可调谐红外和紫外激光双光束相结合的方式，实现了一种可以选择性产生自由基离子并对其进行光解离光谱研究的有效方法。此项研究利用质子化的5-I-胞苷的母体离子，在气相中选择性地生成了位于胞嘧啶环不同位置的阳离子自由基异构体，并利用IRMPD光谱结合密度泛函理论（DFT）对它们的结构进行了确认。

作者使用由ESI生成的质子化5-I-胞苷的母体离子，并将其注入分析池内，然后用存储波形逆傅里叶变换（SWIFT）的方法进行离子选择，通过调谐紫外激光的波长实现C-I键的均裂，产生相应的自由基阳离子并记录其紫外光解离产率谱；进一步选择不同紫外波长照射下产生的自由基阳离子，分别通过碰撞诱导解离CID/IRMPD/UVPD进行表征。并通过调谐红外激光的波长，分别获得不同紫外光产生的自由基阳离子异构体的红外光解离光谱。

如图2所示，[I-Cyt+H]+在m/z 369.99在不同光照条件下观察到的质谱：(a) 3446 cm−红外照射8s，(b)245nm紫外照射4s，(c) 285nm紫外照射4s，以及自由基离子[Cyt]•+不同条件下的串联质谱。每个MS/MS过程中裂解的位点也显示在子图中，其中m/z 112.05和111.04处的碎片离子是由在相同位置的有无氢迁移的裂解形成的。需要提到的是，由于其互变异构体的存在，每个MS/MS过程中离子结构可能比这里显示的更复杂。

图2. [I-Cyt+H]+ 和 经由不同解离途径所得到的[Cyt]•+ 的串联质谱图

搜索这些离子的最稳定构型是非常困难的，因为要考虑不同的质子化位点、互变异构体、氨基/亚胺基互变、以及酮式/烯醇式互变等方面。为了解决其结构复杂性，作者分别对由[I-Cyt+H]+在285和245 nm的紫外照射产生的两种自由基阳离子[Cyt]•+（285）和[Cyt]•+（245）进行了IRMPD光谱实验，记录了在2800~3800cm−1范围内产生的[Cyt]•+的IRMPD光谱，如图3所示。比对IRMPD光谱可以发现两种不同波长的紫外光解离照射产生的自由基阳离子确实有所不同。

图3. (a) [I-Cyt+H]+IRMPD光谱; (b,c)由前驱体离子[I-Cyt+H]+在285和245 nm处4s紫外照射产生的[Cyt]•+IRMPD光谱。插图显示了在2900-3200 cm−1区域的弱峰的放大视图。

为了进一步确定其构型，通过对其结构的系统搜索，在B3LYP/6-311+G(d,p)水平上，分别获得了母体离子和自由基离子不同构象类型的最稳定异构体。结果表明，异构体M-O2a应该是本实验中观察到的分子离子的主要构型。考虑到自由基离子的形成是由紫外激光照射下C-I键的同源裂解引起的，[Cyt]•+的自由基离子可能具有类似于M-O2a的结构。另一方面，H原子的迁移率也使其他结构成为可能。为了便于描述，根据H原子的位置对自由基异构体进行了分类和命名。如图5示，这些同分异构体分别为R-O2（无迁移）、R-N3、R-N4和R-C5，同时还考虑了它们的相对互变异构体RT1、RT2和RT3。

图4. [I-Cyt+H]+的实验和理论红外光谱：(a)实验光谱，（b-e）在N3和O2处有质子化位点的一些最低能量结构的理论光谱。

对于实验观察到的自由基离子[Cyt]•+(285)的光谱，R-O2a的预测光谱与实验光谱最匹配，而不是能量更低的R-C5a和R-C5b。然而，自由基阳离子[Cyt]•+(245)的光谱是不同的，与[Cyt]•+(285)相比，在3620和3070cm−1处没有峰值，在3455和3587cm−1处的峰都变宽，作者发现最稳定的同分异构体R-C5a的预测光谱与实验光谱吻合良好，且能量最低。

图5. [Cyt]+的实验和理论红外光谱：（a,b）285和245 nm紫外照射下产生的阳离子自由基的实验光谱；（c-h）一些H原子位于C5、O2和N3位置的最低能量结构的理论光谱。

考虑到R-O2a的异构体的能量比R-C5a差13 kcal/mol，为探究其可以在285 nm的紫外照射下产生的原因，作者研究了其可能的异构化途径相关的势能面分布。如图6所示，从R-O2a或R-N3a到最稳定的异构体R-C5a的异构化能垒分别为61.5和59.9 kcal/mol。考虑到285 nm处的单光子能量只有4.35 eV，即单光子不能提供足够能量实现R-O2a到R-C5a或从R-N3a到R-C5a的异构化。相比之下，在245 nm处的单光子能量为5.06 eV，足以实现C-I键的裂解并随后异构化为R-C5a，使其UVPD产物成为R-C5a最稳定的异构体。该结果合理地解释了285和245 nm的UVPD可以产生不同的自由基异构体以及只能在后一种情况下产生最稳定的异构体R-C5a的原因，即紫外光子在245 nm处的高能使得C-I键均裂后发生异构化，形成R-C5最稳定的自由基异构体；然而，如果紫外光子能量不够高，则产物是I原子丢失所直接产生的没有异构化的碎片离子。

图6. [Cyt]•+的异构化途径。

这些结果对进一步研究自由基异构体的反应性具有重要意义。例如，确定生成的自由基阳离子是否可以定义为远端自由基阳离子，即它们的电荷和自由基位置是否在不同的原子上。作者对R-O2a、R-N3a和R-C5a的三种异构体进行了自旋密度和电荷分布分析。结果表明，R-O2a和R-N3a的自旋密度分布主要位于C5位置，而R-C5a的自旋密度分布广泛，包括呋喃糖环中C5、N1、O2，甚至O2’的主要位置。相反，这三种异构体的正电荷的分布与自旋电子的分布完全不同。它们不同的自旋电子分布和正电荷分布使这些DRC具有不同的反应性质，这需要进一步的研究。

总结与展望：

综上所述，本文首次应用FT ICR质谱与可调谐红外和紫外激光器的双光束相结合的方法，实现了自由基离子的生成、选择和光谱研究。结果表明，胞苷的自由基阳离子异构体R-O2和R-C5可由同一母体离子通过选择波长的UVPD产生。并通过在同一仪器进行IRMPD光谱研究，验证了它们的结构。考虑到有机化合物中C-I键的均裂所需的能量相似，该方法可推广到其它体系，即利用可调谐紫外激光选择性地生成相应目标分子的不同自由基异构体。结合不同的合成策略，可在同一分子不同区域分别引入C-I键，以发挥其在自由基研究（不限于气相）中的应用潜力。另外，研究结果也为通过设计原位生成稳定的目标自由基提供了线索。这可以通过选择合适的官能团来稳定自由基，引入大的空间位阻官能团或将限制质子的迁移来得以实现。

相关研究成果以Research Article形式发表在CCS Chemistry，南开大学硕士研究生焦鲁杨为第一作者，孔祥蕾副教授为通讯作者。

文章详情：

Isomer-Selective Generation of Cytidine Radicals via Wavelength-Regulated Photodissociation

Luyang Jiao, Mengying Du, Shiyin Xu, Min Kou and Xianglei Kong*.

Cite This: CCS Chem. 2024, Just Published. DOI: 10.31635/ccschem.024.202404201

文章链接：https://doi.org/10.31635/ccschem.024.202404201