質子化苯二甲胺離子及其類似物於氣相中碰撞誘導解離途徑之探討

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(1)國立高雄大學應用化學系(碩士班) 碩士論文. 質子化苯二甲胺離子及其類似物於氣相中碰撞誘導解離途徑之探討. Study on Collision-Induced Dissociation Path of Protonated Xylylenediamine Analogues. 研究生：施舜文撰指導教授：何永皓博士. 中華民國一百年九月.

(2) 謝誌在高雄大學的五年時光，遇見許多的人，有著許多的故事，更有許多的感謝。回憶起第一次與何永皓老師的相遇是在轉學考的考場上，而在四年前衝著一股對研究的熱忱，再加上被老師的帥氣和智慧所吸引，我選擇加入有機生化質譜實驗室這座寶庫，這期間歷經了不少的挑戰，但是非常感謝有老師在這ㄧ路上耐心的教導和包容，是您讓我的生命更加充實！在研究的過程中，承蒙劉福鯤老師和莊曜遠老師無私的提供資源，感謝劉福鯤老師讓我在專題期間就可以學習到不同的分析技術，感謝莊曜遠老師讓我能夠有跨領域研究的經驗，感謝二位老師不辭辛勞的照顧，並且對我的碩士論文給予很多的指正，使其更加完善。在此，我要特別感謝系上鄭秀英老師，沒有您當初的鼓勵，我將無法跳過那堵生命的高牆，嘗到今日甜美的果實。同時，我也要感謝當初張夢揚老師協助我融入應化系這個大家庭，還要感謝系上莊琇惠老師和 Dr. Carey，以及高中的黃芳娟老師、朱月桃老師和郭怡君老師，謝謝你們的肯定和支持，讓我有動力去克服一道又ㄧ道的難關。在艱苦的研究路上，感謝好友鈺婷、慧珊、振宜和立敏，謝謝你們在我難過的時候聽我傾訴，謝謝你們在我遭遇困難的時候幫我突破，幸好有你們！此外，我要感謝實驗室大學長守謙引領我進入奇幻的研究世界，感謝美吟在我學習路上的幫助，感謝專題時期的戰友彥甫，感謝淨雲學姐、子揚、恩綺、博今、怡婷、樺文、琨祐、宗育、鈞耀和亮言的陪伴，更加要感謝可愛的思涵和細心的瑞崎對我研究上的鼎力相助，還要感謝守恩陪我瘋狂的在實驗室通宵。理論計算的工作，感謝學長敬燾和聖民的. I.

(3) 教導，感謝同時是大學直屬學姐怡真的辛苦照料，也感謝育萍的協助。最後，我要感謝爸爸比我還要貼心的呵護，以及勞累工作來供應我完成學業，讓我無後顧之憂；感謝媽咪為了我半夜還留在實驗室的安全，經常熬夜等待我的一通電話，而且還必須要忍受我的任性和脾氣；感謝哥哥的專業英文教學，還有你的犧牲奉獻。感謝我的家人，也感謝所有曾經幫助過我的人！. 施舜文中華民國ㄧ百年九月五日. II.

(4) 目錄中文摘要………………………………………………………………….... 1. 英文摘要………………………………………………………...…………. 2. 第一章前言……………………………………………………………….. 3. 第二章文獻回顧………………………………………………………….. 7. 2.1 串聯式質譜法….…………………………………………..…….…. 7. 2.2 氣相離子的生成與解離機制……………………………………..... 9. 2.3 理論計算方法……………………………….…………….……….. 12 2.4 質譜與理論計算在自由基陽離子的研究……………..………….. 14 第三章實驗方法…………………………………………………..……... 17 3.1 質譜分析…………………………………………..……………….. 17 3.1.1 藥品…………………………………………..………….…… 17 3.1.2 儀器…………………………………………..………….…… 17 3.2 計算化學……………………………………………..………..…… 18 第四章結果與討論…………………………………………..…….…….. 19 4.1 質子化 m-XDA 離子的解離………………………….……...…….. 19 4.1.1 氣相中的解離……………………………..………..….…….. 19 4.1.2 液相中的解離……………………………...………..……….. 21 4.2 不具有 2 個甲基胺取代基的類似物……………….…….….…….. 23 4.3 具有 2 個甲基胺取代基的 6 環 m-XDA 類似物…..…............…….. 34 4.3.1 環己烷二胺化合物………………………………….....…….. 34 4.3.2 苯三胺化合物…………………................................................ 44. III.

(5) 4.4 m-XDA 的結構異構物....................................................................... 53 4.4.1 一次碰撞誘導解離…………………………..……..….…….. 53 4.4.2 二次碰撞誘導解離…………………………………….…….. 69 4.4.3 解離機制的探討……………………………………….…….. 74 4.5 以理論計算對 XDA 衍生物解離途徑的推測………….…….….... 80 4.6 實驗值與理論計算值差異性的探討……...…...............…….……. 83 第五章結論……………………………………………………………..... 85 第六章參考文獻…………………..……………………………………... 88. IV.

(6) 表目錄表 4-1. 以理論計算和質譜 CID 實驗求取底限能(單位：kcal/mol)….… 68. 表 4-2. 移除 m-XDA 的 m/z 120 離子中不同位置氫原子所需能量........ 76. V.

(7) 圖目錄圖1. McLafferty rearrangement 的反應機制：(A)一般醛或酮類；(B) 丁醛(butyraldehyde)自由基陽離子………………………..……. 4. 圖 2-1. 四極柱串聯飛行時間式質譜儀系統示意圖………………….... 9. 圖 2-2. 甲烷經 EI 游離生成 OE●+的甲烷自由基陽離子……….….…… 11. 圖 2-3. C3H6 的 OE●+離子：(A) molecular ion 形式；(B) distonic ion 形式…………………………..…………………………………. 11. 圖 2-4. 離子解離的四種形式…………………………….….…..……... 12. 圖 2-5. EE+離子的解離機制：(A)異裂解離；(B)均裂解離…………….. 12. 圖 4-1. m-XDA 的分子結構………………………..…………..……..… 19. 圖 4-2. m-XDA 正電模式：(A)電噴灑游離質譜圖；(B) m/z 137 離子碰撞誘導解離質譜圖……………………………………...…… 20. 圖 4-3. m-XDA 分子的電子密度圖…………………………………….. 21. 圖 4-4. m-XDA 的 m/z 120 離子的生成機制…………………………… 21. 圖 4-5. 由不同 m-XDA 溶液所得的 m/z 120 和 m/z 137 離子訊號強度比值............................................................................................... 22. 圖 4-6. m-PDA 的分子結構…………………………………………….. 24. 圖 4-7. m-PDA 正電模式：(A)電噴灑游離質譜圖；(B) m/z 109 離子碰撞誘導解離質譜圖；(C) m/z 92 離子碰撞誘導解離質譜圖… 24. 圖 4-8. m-PDA 的 m/z 92 離子的生成機制……………….…………….. 24. 圖 4-9. o-PDA 正電模式：(A)電噴灑游離質譜圖；(B) m/z 109 離子碰撞誘導解離質譜圖；(C) m/z 92 離子碰撞誘導解離質譜圖… 25. VI.

(8) 圖 4-10 o-PDA 的 m/z 92 離子的生成機制……………………………… 26 圖 4-11 o-PDA 正電模式：(A)新鮮配製溶液；(B)久置溶液的電噴灑游離質譜圖......………………………………………….……… 27 圖 4-12 於各種存放條件，o-PDA 在正電模式下的電噴灑游離質譜圖中，m/z 109、m/z 119、m/z 133、m/z 147、m/z 161、m/z 175 和 m/z 189 離子訊號強度的相對比值...…….…………..……… 28 圖 4-13 p-ABA 的分子結構……………………………………………... 29 圖 4-14 p-ABA 正電模式：(A)電噴灑游離質譜圖；(B) m/z 123 離子碰撞誘導解離質譜圖；(C) m/z 106 離子碰撞誘導解離質譜圖.. 29 圖 4-15 p-ABA 的 m/z 106 離子的生成機制……………………………. 30 圖 4-16 以 UB3LYP/6-311++G(d,p)理論計算質子化 PDA 離子解離生成[MH - NH3]+和[MH - NH3 - H•]●+離子所需能量……………. 31. 圖 4-17 以 UB3LYP/6-311++G(d,p)理論計算質子化 ABA 離子解離生成[MH - NH3]+和[MH - NH3 - H•]●+離子所需能量……….…... 32 圖 4-18 p-BDM 的分子結構…………………………………………….. 33 圖 4-19 p-BDM 負電模式：(A)電噴灑游離質譜圖；(B) m/z 137 離子碰撞誘導解離質譜圖；(C) m/z 119 離子碰撞誘導解離質譜圖.. 33 圖 4-20 p-BDM 的 m/z 107 離子的生成機制………….………………… 34 圖 4-21 CHBMA 的分子結構…………………………………………… 35 圖 4-22 CHBMA 正電模式下的電噴灑游離質譜圖…………………… 35 圖 4-23 CHBMA 正電模式：(A) m/z 144；(B) m/z 143；(C) m/z 126； (D) m/z 109 離子碰撞誘導解離質譜圖……............................… 36. VII.

(9) 圖 4-24 CHBMA 的 m/z 126 和 m/z 109 離子的生成機制…….…........… 37 圖 4-25 CHBMA 的 MH+離子在碰撞氣體壓力為 5 psi，不同碰撞能下，m/z 143、m/z 126 和 m/z 109 離子訊號強度的相對比值........ 38 圖 4-26 CHBMA 的[MH - NH3]+離子在碰撞氣體壓力為 5 psi，不同碰撞能下，m/z 126 和 m/z 109 離子訊號強度的相對比值………... 39 圖 4-27 以 UB3LYP/6-311++G(d,p)理論計算質子化 CHBMA 離子解離生成[MH - NH3]+、[MH - NH3 - H•]●+和[MH - 2NH3]+離子所需能量…...............................................................................… 41 圖 4-28 UB3LYP/6-311++G(d,p)理論計算：(A)順式且兩取代基皆位於 equatorial 位置；(B)順式且兩取代基皆位於 axial 位置；(C) 反式的質子化 CHBMA 離子最佳化結構…..........…...……..… 43 圖 4-29 TEBTMA 的分子結構………………………………………….. 45 圖 4-30 TEBTMA 正電模式下的電噴灑游離質譜圖………………….. 45 圖 4-31 TEBTMA 正電模式：(A) m/z 250；(B) m/z 233；(C) m/z 216； (D) m/z 199 離子碰撞誘導解離質譜圖…..........................…..… 46 圖 4-32 TEBTMA 的 MH+離子在碰撞氣體壓力為 5 psi，不同碰撞能下，m/z 233、m/z 216、m/z 199、m/z 171 和 m/z 143 離子訊號強度的相對比值…………...........................……………….... 47 圖 4-33 TEBTMA 的[MH - NH3]+離子在碰撞氣體壓力為 5 psi，不同碰撞能下，m/z 233、m/z 216、m/z 199、m/z 171 和 m/z 143 離子訊號強度的相對比值………............................................... 48. VIII.

(10) 圖 4-34 TEBTMA 的[MH - 2NH3]+離子在碰撞氣體壓力為 5 psi，不同碰撞能下，m/z 216、m/z 199、m/z 171 和 m/z 143 離子訊號強度的相對比值…........................................................................... 49 圖 4-35 TEBTMA 的[MH - 3NH3]+離子在碰撞氣體壓力為 5 psi，不同碰撞能下，m/z 199、m/z 171 和 m/z 143 離子訊號強度的相對比值……..………......................................................................... 49 圖 4-36 TEBTMA 的 m/z 233、m/z 216 和 m/z 199 離子的生成機制(A)... 51 圖 4-37 TEBTMA 的 m/z 233、m/z 216 和 m/z 199 離子的生成機制(B)... 52 圖 4-38 以 UB3LYP/6-311++G(d,p)理論計算分別在(A)和(B)的解離機制下，質子化 TEBTMA 離子解離生成[MH - NH3]+、[MH NH3 - H•]●+、[MH - 2NH3]+和[MH - 3NH3]+離子所需能量…… 53 圖 4-39 p-XDA 正電模式：(A)電噴灑游離質譜圖；(B) m/z 137 離子碰撞誘導解離質譜圖…………………………………………... 54 圖 4-40 p-XDA (使用潮解固體所配製而成的溶液)正電模式下的電噴灑游離質譜圖…………………………......………….………… 55 圖 4-41 o-XDA 正電模式：(A)電噴灑游離質譜圖；(B) m/z 137 離子碰撞誘導解離質譜圖…………...……………………………… 56 圖 4-42 XDA 結構異構物：(A) o-XDA；(B) m-XDA；(C) p-XDA 在碰撞能 10.0 eV 的 m/z 137 離子碰撞誘導解離質譜圖………… 56 圖 4-43 UB3LYP/6-311++G(d,p)理論計算質子化 o-XDA 離子最佳化結構……………………..……...……..……..………………….. 57. IX.

(11) 圖 4-44 m-XDA 的 MH+離子在碰撞氣體壓力為 5 psi，不同碰撞能下，m/z 137 與 m/z 120 離子訊號強度的相對比值…………..…. 58 圖 4-45 m-XDA 的 MH+離子在碰撞氣體壓力為 5 psi，不同碰撞能下，m/z 119、m/z 118 和 m/z 103 離子訊號強度的相對比值…… 59 圖 4-46 m-XDA 正電模式，Cone 為 25 eV 且關閉碰撞氣體：(A)碰撞能 0 eV；(B)碰撞能 5.0 eV 的 m/z 137 離子碰撞誘導解離質譜圖……………………………………………………………...… 60 圖 4-47 m-XDA 在碰撞能 3.5 eV 下，m/z 137 與 m/z 120 離子訊號強度的相對比值............................................................................... 61 圖 4-48 p-XDA 的 MH+離子在碰撞氣體壓力為 5 psi，不同碰撞能下， m/z 137 與 m/z 120 離子訊號強度的相對比值…………….....… 62 圖 4-49 p-XDA 的 MH+離子在碰撞氣體壓力為 5 psi，不同碰撞能下， m/z 119、m/z 118 和 m/z 103 離子訊號強度的相對比值….….… 63 圖 4-50 o-XDA 的 MH+離子在碰撞氣體壓力為 5 psi，不同碰撞能下， m/z 137 與 m/z 120 離子訊號強度的相對比值…………...…..… 64 圖 4-51 o-XDA 在碰撞能 25.0 eV 的 m/z 137 離子碰撞誘導解離質譜圖………………………………………………………………... 64 圖 4-52 UB3LYP/6-311++G(d,p)理論計算 m-XDA 的 MH+離子、[MH - NH3]+離子及 NH3 分子最佳化結構…………………….…..… 66 圖 4-53 以 UB3LYP/6-311++G(d,p)理論計算質子化 XDA 離子解離生成[MH - NH3]+離子所需能量………………………………..… 67 圖 4-54 m-XDA 正電模式下的 m/z 120 離子碰撞誘導解離質譜圖…… 70. X.

(12) 圖 4-55 p-XDA 正電模式下的 m/z 120 離子碰撞誘導解離質譜圖……. 71 圖 4-56 o-XDA 正電模式下的 m/z 120 離子碰撞誘導解離質譜圖……. 72 圖 4-57 m-XDA 的[MH - NH3]+離子在碰撞氣體壓力為 5 psi，不同碰撞能下，m/z 119、m/z 118 和 m/z 103 離子訊號強度的相對比值…............................................................................................... 73 圖 4-58 p-XDA 的[MH - NH3]+離子在碰撞氣體壓力為 5 psi，不同碰撞能下，m/z 119、m/z 118 和 m/z 103 離子訊號強度的相對比值……….….……......................................................................... 74 圖 4-59 以 UB3LYP/6-311++G(d,p)理論計算質子化 XDA 離子解離生成[MH - NH3]+和[MH - NH3 - H•]●+離子所需能量……………. 77. 圖 4-60 m-XDA (以 CH3OD 為溶劑所配製而成的溶液)正電模式， Cone 為 25 eV 且碰撞能 22.0 eV 的 m/z 122 離子碰撞誘導解離質譜圖……………………………………………….……..… 78 圖 4-61 [m-C6H4(CH2ND2)(CH2)]+離子的解離反應機制………….....… 79 圖 4-62 以 UB3LYP/6-311++G(d,p)理論計算加入 CH3 取代基的質子化 m-XDA 離子解離生成[MH - NH3]+、[MH - NH3 - H•]●+和 [MH - 2NH3]+離子所需能量……………...…………...……..… 81 圖 4-63 以 UB3LYP/6-311++G(d,p)理論計算加入 Cl 取代基的質子化 m-XDA 離子解離生成[MH - NH3]+、[MH - NH3 - H•]●+和[MH - 2NH3]+離子所需能量……………....................……...……..… 82. XI.

(13) 圖 4-64 以 UB3LYP/6-311++G(d,p)理論計算加入 NH2 取代基的質子化 m-XDA 離子解離生成[MH - NH3]+、[MH - NH3 - H•]●+和 [MH - 2NH3]+離子所需能量………...……..…........................... 83. XII.

(14) 質子化苯二甲胺離子及其類似物於氣相中碰撞誘導解離途徑之探討指導教授：何永皓博士國立高雄大學應用化學系（碩士班）. 學生：施舜文國立高雄大學應用化學系（碩士班）. 摘要以電噴灑游離法(ESI)所生成的離子，經碰撞誘導解離(CID)後所生成的斷片離子，一般大多具有偶數電子。然而，我們的研究發現，質子化 m-xylylenediamine 離子(MH+) 不但在 ESI 游離源就很容易失去一個氨分子(NH3)，形成[MH - NH3]+離子，而且這個偶數電子的離子在較高的碰撞能下，會進一步失去一個氫原子(•H)，形成少見的奇數電子離子([MH - NH3 - H•]●+)，以及[MH - 2NH3]+等偶數電子的斷片離子。因此，本研究乃比對一些 m-xylylenediamine (m-XDA)類似物的一次和二次 CID 結果，探討其間結構上的差異與生成[MH - NH3]+和[MH - NH3 - H•]●+等斷片離子的關係。分析的化合物可分為(1) 具有兩個胺基的 m-XDA 類似物和(2) m-XDA 的結構異構物兩大類，包含的化合物有： o-phenylenediamine 、 m-phenylenediamine 、 p-aminobenzylamine 、 1,3-cyclohexanebis(methylamine) 、 2,4,6-triethyl-1,3,5-benzenetrimethanamine 、 o-xylylenediamine 和 p-xylylenediamine。為瞭解各種化合物於一次和二次 CID 所生成斷片離子的差異性，進一步以混合式密度泛函理論的 UB3LYP/6-311++G(d,p)為計算方法，探討 m-XDA 及其類似物於不同解離途徑所需的能量。 CID 結果顯示，o-XDA 的 MH+離子因產生內氫鍵，相對於 m-XDA 和 p-XDA 不易生成[MH - NH3]+離子；同樣的，phenylenediamine 化合物的 MH+離子於解離時會破壞苯環的共振結構，也是不易生成[MH - NH3]+離子。至於[MH - NH3 - H•]●+自由基陽離子的生成條件，雖然理論計算預測三種 XDA 結構異構物生成[MH - NH3 - H•]●+離子所需的能量相近，但 CID 結果顯示 o-XDA 並無法生成[MH - NH3 - H•]●+離子，推測 o-XDA 的前驅物[MH - NH3]+離子中另有作用力，使其較其他結構異構物衍生離子穩定，而我們於理論計算時並未考慮到，造成此差異。另外，理論計算與 CID 結果的差異，也可能歸因於前者為熱力學產物，而後者為動力學產物。關鍵字：xylylenediamine，自由基陽離子，碰撞誘導解離，密度泛函理論，電噴灑游離法，取代基結構 1.

(15) Study on Collision-Induced Dissociation Path of Protonated Xylylenediamine Analogues Advisor: Dr. Yeung-Haw Ho Department of Applied Chemistry National University of Kaohsiung. Student: Shun-Wen Shih Department of Applied Chemistry National University of Kaohsiung. ABSTRACT The even-electron precursor ions usually dissociate into the same state, even-electron, product ions by electrospray ionization tandem mass spectrometry (ESI-MS/MS). We found the protonated m-xylylenediamine (m-XDA) was easily losing NH3 molecule in ESI. However, the [MH - NH3]+ further expelled H atom then forming into radical cations, and lost the another NH3 molecule in the collision cell. We compared with some primary and secondary collision-induced dissociation (CID) results of protonated m-XDA and its analogues to study the relationship between the molecular structure and the formations of [MH - NH3]+ and [MH - NH3 - H•]●+. The m-XDA analogues could be classified by the benzene ring with two amine substituent group and m-XDA regioisomers. MS/MS spectra indicated that the MH+ of o-XDA was harder to dissociate into [MH NH3]+ than m-XDA and p-XDA because of the internal hydrogen bonding in MH+ of o-XDA; the same, the NH3 dissociation reaction of protonated phenylenediamime would destroy the benzene ring resonance. We also studied the formation conditions of the [MH - NH3 - H•]●+. Although the theory formation energies of the [MH - NH3 - H•]●+ of m-XDA regioisomers were similar, we could not get the [MH - NH3 - H•]●+ fragment of o-XDA by CID. The differences between calculation and CID results were that we did not consider the interaction in [MH - NH3]+ of o-XDA during theoretical calculation processes. Otherwise, the differences could be attributed to the thermodynamics in calculation and the kinetics in CID. Keywords: xylylenediamine, radical cation, collision-induced dissociation, density functional theory, electrospray ionization, substituent structure 2.

(16) 第一章前言無基質影響下的化學反應機制本質(intrinsic properties)，一直是科學家們有興趣的研究課題，藉由反應機制本質的研究，可以瞭解控制化學反應的關鍵因素和解釋許多現象的產生，以及用來開發新的合成方式，或提供一些問題的解決辦法。反應機制的研究可以參考以往研究的結果，並藉由改變實驗條件，觀察其所產生的相對變化進行探討，也可以經由觀察反應物、生成物和中間產物(intermediate)的分子結構中，不同型態化學鍵結斷裂和生成的難易度，輔以理論計算的方式進行研究。1-12 針對化學反應路徑的探討，首先必須要知道反應物、生成物或是反應中間產物的結構，核磁共振光譜儀、紅外光光譜儀和 X-ray 繞射分析儀則是結構鑑定上常用的工具，但這些分析方法所需的樣品皆需要足夠量的純化物，不利於分析純化過程繁瑣的化合物，且這些離線(off-line) 方式也不適用於分析不穩定的化合物。相反的，以質譜儀進行化合物結構分析時，可以結合層析儀器進行線上(on-line)分析，所需樣品量較低，且藉由氣相離子分子反應(gas-phase ion-molecular reaction)或是碰撞誘導解離(collision-induced dissociation, CID)等方式，質譜儀也常被用來探討不穩定的反應中間產物和過渡狀態(transition state)分子結構。13-17 因此，在過去的數十年間，質譜儀在化學結構分析和反應機制探討的領域上，一直扮演著一個重要的角色。質譜學在化學結構分析和反應機制的研究上，可以簡單的用來鑑定反應中間產物和副產物(by-product)，以暸解凝相(condensed phase)或氣相化學反應的機制，也可以對質譜圖中有興趣的離子，其生成機制進行分. 3.

(17) 析探討。例如 1959 年由 F. W. McLafferty 分析丁醛分子的電子撞擊游離 (electron ionization, EI)質譜圖時，發現丁醛自由基陽離子(radical cation) 會斷裂生成 m/z 44 離子(圖 1)，而推導出此離子的生成牽涉到氫原子經六環過渡狀態轉移所進行的斷裂重排反應，18 質譜學家就將此類型的重排裂解反應機制命名為 McLafferty rearrangement。10,. 19-21. 這些離子生成機. 制資訊的收集，對於以質譜圖推導未知物結構分析上有莫大的助益。 (A). (B). m/z 72 loss of 28 m/z 44 圖 1 McLafferty rearrangement 的反應機制：(A)一般醛或酮類；(B)丁醛 (butyraldehyde)自由基陽離子 22. 質譜學中的 CID 是分析化合物結構的一個必要方法，它是藉由在氣相中分析物離子與導入的特定碰撞氣體互相碰撞，致使分析物離子內能提升而造成化學鍵的斷裂。這些斷片的生成可提供分析物結構鑑定以及本質的探討，前者可由特定離子斷片的生成推導分析物的結構，例如 CID 後造成分析物失去水分子，常代表分析物為醇類物質。19 至於分析物本. 4.

(18) 質的探討，則可以藉由改變碰撞能的大小，觀察不同斷片離子強度的變化，比較不同化學鍵之鍵能，進行化學反應機制等本質的探討。13-17, 23-25 質譜儀所用來游離樣品的方式有許多種，其中電噴灑游離 (electrospray ionization, ESI)方式所生成的離子，經過 CID 後一般生成具偶數電子(even-electron, EE+ or EE )的離子。然而，於研究鋼鐵業所用特－. 用化學品時，我們發現其中一個未知成分不但解離能很低，而且在較高的碰撞能時會生成奇數電子(odd-electron, OE●+ or OE● )的離子。後續的－. 研究證實該未知成分為工業中重要的固化劑間－苯二甲胺 (m-xylylenediamine, m-XDA)，而質子化 m-XDA 離子(MH+)於 ESI 過程中，會輕易失去氨分子(NH3)而形成[MH - NH3]+離子(m/z 120)，而對此離子進行二次 CID 時，除了會再度失去一個 NH3 生成[MH - 2NH3]+離子(m/z 103)以外，另有一個解離途徑是失去氫原子(•H)，產生[MH - NH3 - H•]●+ 離子(m/z 119)。未知物的結構鑑定需借助已知資訊的推導，m-XDA 為一具有兩個胺基的芳香族化合物，本研究將比較不同 m-XDA 類似物的 CID 結果，探討特定離子生成與分子結構之間的關係。本研究探討數種具有兩個胺基的芳香族化合物於不同 CID 條件下的表現，以瞭解不同斷片離子的生成途徑，並經由數據的歸納整理分析，提供未來判斷未知物結構上的一個重要參考。此外，本研究同時也採用混合式密度泛函理論 (hybrid density functional theory, HDFT) 的 UB3LYP/6-311++G(d,p)計算方式，驗證 CID 的實驗結果，以評估不同解離途徑所需能量，推斷自由基陽離子生成的關鍵因子。理論計算化學是將物理和化學的概念與數學結合，來表述化學分子的特性，其結果常可. 5.

(19) 以用來解釋化學反應機制，在計算成本與時間的考量下，理論計算常採用無溶劑或無其他基質存在下的系統，此種環境恰與質譜分析操作時的條件近似，故兩者的結果常可用來互相檢視驗證。. 6.

(20) 第二章文獻回顧 2.1 串聯式質譜法質譜儀主要是由游離源(ion source)、質量分析器(mass analyzer)和離子偵測器(ion detector)結合而成的儀器，分析物在游離源處被氣化且游離成氣相的帶電離子，然後再經由質量分析器依其不同的質荷比 (mass-to-charge ratio, m/z)進行分離，而這些被分離的氣相離子會飛行到離子偵測器以獲得訊號。我們可以藉由質譜圖獲得分析物的質量資訊，若是要得知分析物的結構，除了借助其他分析儀器的幫助之外，我們也可以如同拼湊拼圖一般，利用碎片離子(fragment ion or product ion)的資訊來反推得到分析物的完整結構。26 使用 EI 游離源進行高純度標準品的質譜分析時，分析物會因為受到 EI 游離源 70 eV 的高能電子撞擊而被游離，但這樣的離子卻也同時會獲得很高的內能而發生解離反應，所以我們可以利用單一種化合物的電子撞擊游離質譜圖來建立此化合物的碎片資料庫。然而，僅使用 EI 游離源直接對混合樣品進行質譜分析時，過度複雜的碎片資訊反而不利於未知物的結構鑑定。19 圖 2-1 是一種在空間上做聯結的四極柱串聯飛行時間式質譜儀(tandem quadruple time-of-flight mass spectrometer, Q-TOF MS) 系統，可以先運用第一階段的四極柱質量分析器，在複雜的離子中選擇有興趣的特定離子進入六極柱的碰撞室(hexapole collision cell)，然後以惰性的碰撞氣體對此前驅物離子(precursor ion)進行 CID，而第二階段的飛行時間式質量分析器會針對 CID 後的產物斷片離子再進行一次分離，如此便可利用質譜儀直接對混合樣品進行結構鑑定。26. 7.

(21) 串聯式質譜法(tandem mass spectrometry, MS/MS)是一種結合了兩階段質量分析器的質譜技術，在串聯式質譜儀的硬體設計上可分為空間上和時間上的串接，前者是在空間中將兩個質量分析器與一個碰撞室聯結而成，前驅物離子的選擇、碰撞及產物離子的掃描分別在不同空間中進行；後者則是以同一個質量分析器，在不同時間依序進行前驅物離子的選擇、碰撞及產物離子的掃描，可使特定離子穩定滯留在質量分析器中，連續進行多次碰撞(MSn)。27 串聯式質譜法是研究前驅物離子與產物斷片離子之間的關係，具有高度的特異性，無論是在離子裂解過程的研究或是未知物結構鑑定上都是一項強而有力的技術，目前已被廣泛應用在有機反應監測、食品安全檢測、蛋白質定序、含複雜基質的血液樣品成分分析……等等領域。. 8.

(22) 圖 2-1 四極柱串聯飛行時間式質譜儀系統示意圖. 2.2 氣相離子的生成與解離機制在質譜分析的過程中，質譜圖上的每一個質荷比訊號都有其對應的離子結構，但仍避免不了有相同質荷比表現的離子存在其中。自然界某些胺基酸在質譜的訊號表現是相同的，在進行蛋白質的質譜分析時，相同的質荷比訊號會造成電腦比對資料庫指紋圖譜(fingerprinting)進行胺基酸定序的過程產生誤判的情形。28 若是複雜蛋白質中的胺基酸在質譜的氣相環境又另外發生解離反應，則將提高相同質荷比訊號造成誤判的機率。以本研究僅是簡單的分子結構為例，m-XDA 在正電模式下的電噴灑 9.

(23) 游離質譜圖中就可同時觀測到 m/z 137 和 m/z 120 這兩個離子訊號，在不瞭解質子化 m-XDA 離子的解離狀況下，若是進行含有 m-XDA 分子的複雜樣品質譜分析，反而會誤判檢測樣品是含有兩種化合物。因此，進行離子解離機制的探討不僅能夠瞭解化學反應發生的過程，對於未知樣品的質譜分析也是影響甚深。另外，化合物 m-XDA 的 m/z 137 離子不僅會解離成 m/z 120 離子，其 m/z 120 離子又會再解離成 m/z 119、m/z 118、 m/z 103、m/z 93、m/z 91、m/z 80、m/z 77……等等的離子。這些在氣相中的斷片離子有 EE 離子也有 OE 離子，故本節也將針對離子在氣相中的生成與其解離的化學反應機制做探討。質譜儀的分析對象是氣態的離子，被游離的形式可以是質子化 (protonation)帶正電荷或是去質子化(deprotonation)帶負電荷的離子，兩者皆屬於 EE 離子；但另有一種特有的離子，在 EI 的游離源下，分子被高能電子束撞擊後會失去一個電子，造成分子中有未成對的電子，然後形成 OE 的自由基陽離子(圖 2-2)。研究發現 OE 離子具有兩種形式，一種是自由基(free radical)與電荷(charge)位於同一分子中同一個原子上的分子離子(molecular ion, M●+)，另一種是自由基與電荷位於同一分子中不同原子上的 distonic ion (圖 2-3)。Distonic radical cations 是在氣相中被發現的，distonic 的拉丁語原意是指分離的，Radom 等人在西元 1984 年引進了「distonic ion」一詞來表示此種電荷與自由基分離的化學物質；29 近年來也有許多鑑定此新物種的研究成果，主要是描繪它們的反應性及穩定性。30-34 無論是 molecular ions 或 distonic ions，它們都是含有自由基的離子，性質上也都較不穩定，在氣相中容易發生解離的化學反應。雖然. 10.

(24) 氣相離子的斷裂和生成有時看似簡單，但分子中化學鍵結的相關研究是瞭解分子基礎特性的重要來源，也是探討化學反應機制必要的資訊，找出這些影響鍵結斷裂或生成的因素是目前許多研究人員所專注的議題。. 圖 2-2 甲烷經 EI 游離生成 OE●+的甲烷自由基陽離子 19. 圖 2-3 C3H6 的 OE●+離子：(A) molecular ion 形式；(B) distonic ion 形式. Schwarz 曾經整理了氣相離子的四種解離形式，圖 2-4 中的[odd]●+是奇數電子的陽離子，[even]+是偶數電子的陽離子，X●是自由基碎片，N 是中性分子碎片，molecular ions 或是經由重排裂解反應的碎片離子通常會以消除(eliminate)自由基或者中性分子的任一形式發生解離反應，而質子化的 EE 離子則大多是分解成同樣為 EE 離子的碎片。35 如圖 2-5 所示， F. W. McLafferty 也曾提到，在 EE 離子中，帶有電荷的鍵結有兩種解離的形式，一是化學鍵異裂解離(heterolytic bond dissociation)，另一是化學鍵均裂解離(homolytic bond dissociation)。由於 homolytic bond dissociation 的方式涉及兩個 OE 產物的生成，與 heterolytic bond dissociation 的電荷遷移(charge migration)方式相比是需要更多的能量。若是要獲得 molecular ions 或 distonic ions 的先決要件是必須移除分子中的一個電子，使用高能. 11.

(25) 電子束撞擊分子的 EI 游離源確實有機會製造出 molecular ions 或 distonic ions 這兩種形式的 OE 離子，但 m-XDA 的 EE+離子(m/z 120)如何在低碰撞能的 CID 條件下解離形成的 OE●+離子(m/z 119)才是本研究的重點。 [odd]●+ Æ [even]+ + X● [odd]●+ Æ [odd]●+ + N [even]+ Æ [even]+ + N [even]+ Æ [odd]●+ + X● 圖 2-4 離子解離的四種形式 35. 圖 2-5 EE+離子的解離機制：(A)異裂解離；(B)均裂解離 19. 2.3 理論計算方法量子化學領域的物理定律及數學理論已在 1920 年代末期發展完備，物理學家 P. A. M. Dirac 甚至認為以量子力學便可以解釋所有的化學現象。雖然量子化學理論的薛丁格方程式(Schrödinger equation)可以被寫下來，但除了簡單的分子以外，對於一般化學系統的求解過程卻是相當複雜。直到 1980 年代開始，隨著電腦科技的發展，理論計算方法的準確度和效率日益進步，許多理論計算佐證化學實驗的結果才陸續被發表。36 量子化學的基礎是薛丁格方程式，它是以波函數(wave function, Ψ ) 描述分子系統中原子核及電子組成，其分子總能可由 Hamiltonian operator. 12.

(26) ˆ )計算，方程式表示為： (Η. ˆ Ψ (R1 , R2 .....RN , r1 , r2 .....rn ) = EΨ ( R1 , R2 .....RN , r1 ,r 2 .....rN ) Η. (1). 其中R為原子核位置，r為電子的位置。以波函數描述電子系統，對於有N 個電子的系統，其波函數就具有空間的3N個變數，所需的計算時間與資源就會增加。西元1927年，Thomas和Fermi兩人導入了電子密度泛函的概念，37, 38 密度泛函理論(density functional theory, DFT)相對波函數是考慮電子分布機率，求解的是一個三維空間座標的電子密度函數，在計算上只需處理三個空間變數，不需考慮系統的電子數，可減少大量的計算成本。西元1993年，Becke結合了不同計算方法的優缺點，並加以修正提出了半混成密度泛函(Half and Half)的方法；39 自此開始，有許多的混成密度泛函方法被發表，而Becke-3-LYP (B3LYP)即是由Becke、Lee、Yang 和Parr所提出的一種混合式密度泛函理論的計算方法。40, 41 由於化學系統種類繁雜，為了得到比較可靠的結構與能量，理論計算化學領域也隨之加入各種考量，發展出許多不同的計算方法。其中B3LYP計算方法是近十餘年來最受歡迎的一種DFT方法，42-45 幾乎在各種型態分子中的不同性質皆可由此方法得到可靠的結果，且符合經濟效益。理論計算化學雖發展出各種的計算方法以達到計算的高準確度，但計算對象若是複雜的化學反應系統，其資料會相當繁瑣巨大，這會耗費相當大的計算資源，故理論計算多是以單一分子的型態在進行，而不考慮基質的效應。質譜儀的基本原理是將樣品在游離源處氣化且游離後導入質量分析器中，再利用電場和磁場將不同的離子分離並飛行抵達偵測器以獲得電子訊號。特別的是，質譜分析過程中為了避免不必要的干擾，. 13.

(27) 減少氣態分析物離子與其他分子發生反應，質譜分析系統以目前的技術是必須在高度真空的條件下進行。理論計算的單分子氣相模擬條件恰巧與質譜儀分析技術需在高真空下操作的特性具有共同點，在化學反應的研究上，若是能藉由質譜儀所得的結果提出假說，再經由理論計算反覆驗證，便可朝向更具說服力的理論發展。Flammang 等人即是利用質譜技術搭配理論計算加以驗證的方式發表了許多自由基陽離子相關的研究報告，46-50 如以 UB3LYP/6-311++G(d,p)計算苯甲酸甲酯(methyl benzoate) 自由基陽離子的研究。50 本研究也將採取 UB3LYP/6-311++G(d,p)為計算方法，進行 m-XDA 及其類似物的理論計算研究。. 2.4 質譜與理論計算在自由基陽離子的研究質譜儀的分析對象是氣態的離子，早在二十多年前便已被廣泛地用來從事氣相自由基陽離子的化學研究，再加上理論計算後期的高度發展，以理論計算佐證質譜技術相關研究成果的結合運用也逐漸蓬勃。為了瞭解質子化m-XDA離子的解離或生成離子的反應機制，特別是OE離子的生成路徑，本研究乃針對一系列m-XDA類似物，探討其在不同條件下的解離途徑，並與理論計算結果進行比較。以質譜技術與理論計算的方式，探討氣相中離子的生成或解離機制已被廣為使用，5, 17, 45, 50-56 藉由兩種方式的結合，Hammerum等人發現亞穩態的•CH2NH2CH3+ 自由基陽離子解離成•CH3 和CH2=NH2+ 需要釋放非常高的轉化能量，也就是要將甲基自由基加成上CH2=NH2+分子的N端是需要一個很高的能障的。52 Flammang等人則針對質子化苯胺(aniline)的特. 14.

(28) 性進行探討，50 該研究團隊經由理論計算和實際驗證的結果得知苯胺分子被質子化的位置在苯環與在氨取代基的穩定度是不同的，且當周圍環境可提供足夠能量(約300 kJ/mol)給質子化苯胺離子時，將可使其藉由氫原子轉移的方式異構化為不同型態的離子，甚至可以失去•H形成苯胺自由基陽離子。O'Hair等人於2009年利用質譜儀與理論計算的驗證，探討質子化S-nitrosocysteine離子的反應特性；56 S-nitrosocysteine為cysteine分子中S位置上的H被NO取代後所形成的分子，比較氣相和凝相中製造出質子化 S-nitrosocysteine 離子，他們發現這兩種方法所合成出的質子化 S-nitrosocysteine離子皆可解離形成長生命週期(long-lived)的cysteine自由基陽離子，而此Cys●+離子經CID後會解離失去•COOH、CH2S、•CH2SH 和H2S。藉由理論計算，他們解釋了質子化S-nitrosocysteine的S和NO間的化學鍵，何以容易發生homocleavage現象的原因，並分別找出了Cys●+在 CID下可經由質子或氫原子轉移而解離•COOH、CH2S、•CH2SH和H2S的反應機制，此成果對生物體中胺基酸反應的研究相當重要。 Prodiginine 類的分子具有抗癌的效果，但其合成過程卻是相當困難，相關的藥物需藉由生物合成的方式來製造。Cole 等人於 2008 年利用串聯式質譜技術，根據碎片離子的質荷比資訊，再結合理論計算化學的熱力學觀點，研究 Prodiginine 解離反應的可能機制。55 他們觀察到正電模式的電噴灑游離質譜圖中，出現罕見的 OE 碎片離子，其中質子化 Prodiginine 離子在低能量的 CID 下，會有失去•CH3 的特殊解離現象。在複雜樣品的質譜分析工作中，罕見的離子解離現象是一個相當重要的鑑定指標，Cole 等人的研究提供了一個鑑定 Prodiginine 的重要工具。. 15.

(29) 本研究進行一系列 m-XDA 類似物的解離或生成機制探討時，乃採取與 Cole 等人研究 Prodiginine 解離反應機制時的相同策略，以改變碰撞能方式來推導特定離子的生成底限能(threshold energy)，並以理論計算為基礎來解釋特定的解離機制。. 16.

(30) 第三章實驗方法 3.1 質譜分析 3.1.1 藥品 o-Xylylenediamine 、 m-xylylenediamine 、 o-phenylenediamine 、 p-aminobenzylamine. 、. 2,4,6-triethyl-1,3,5-benzenetrimethanamine. 、. 1,3-cyclohexanebis(methylamine) 、 p-benzenedimethanol 、 methanol 、 deuterium oxide 和 methyl alcohol-d 皆是購自於 Sigma-Aldrich ，而 p-xylylenediamine 和 m-phenylenediamine 是購自 Alfa Aesar。實驗中所使用的樣品溶液皆是先行以 1:1 的甲醇水溶液為溶劑配製成約 10-2 M 的貯存溶液(stock solution)，進行質譜分析前再取 10 μL 的貯存溶液並加入 1:1 的甲醇水溶液 990 μL 稀釋成約為 10-4 M 的溶液使用。. 3.1.2 儀器質譜儀為 Micromass®UK 所生產的 Micromass Q-TOF，使用 ESI 游離源，操作模式為正電模式，分析時的質譜最佳參數為：Source Block Temp：100°C、Desolvation Temp：200°C、Cone：25 eV (in-source CID 的操作 Cone 增加為 40 eV)、Gas Cell：5 psi。選擇離子的 CID 是使用四極柱串聯飛行時間式質譜儀(Q-TOF MS)，碰撞氣體為氬氣。每張電噴灑游離質譜圖的收集(acquire)和平均(average)時間為 1.5 min，每張碰撞誘導解離質譜圖的收集和平均時間為 1.0 min。進樣系統有直接注入(direct infusion)或液相進樣(flow injection)兩種方式，直接注入進樣系統所使用的注射針幫浦為 KDS101 (kd scientific)，操作流速固定為 8 μL/min；液相. 17.

(31) 進樣系統所使用的 HPLC 機型為 Agilent 1100，流動相為 50%的甲醇與 50%的去離子水，操作流速為 150 μL/min，以不串聯層析管柱的方式進樣。. 3.2 計算化學本研究是使用 GAUSSIAN 03 程式. 57. 進行計算，選擇 HDFT 中的. B3LYP 為計算方法，搭配基底函數 6-311++G(d,p) 進行結構最佳化 (geometry optimization)及頻率(frequency)計算，並獲得分子在 298 K 的電子能量(electronic energy)與熱能(thermal energy)總和。在計算方法中有兩種計算的方式：一為封閉殼層(closed-shell, restricted)，另一為開放殼層 (open-shell, unrestricted)的方式。以 B3LYP 的計算方法為例，當計算方式是選用 restricted 的 B3LYP 時，則表示此分子的外殼層是填滿電子或是沒有價電子的；反之，若是計算的分子結構是帶有電荷或自由基這類外殼層並未填滿電子的形式時，則計算方式選用 unrestricted 的 UB3LYP 計算會較為適合。. 18.

(32) 第四章結果與討論 4.1 質子化 m-XDA 離子的解離一般具有偶數電子對(EE)的離子經 CID 後的產物大多也為具有 EE 的離子，然而，當我們在進行 m-XDA (分子量 136.19 g/mol，圖 4-1)標準品的 CID 實驗時，發現其 EE 離子解離後的產物除了有數個 EE 離子斷片，更有數個罕見的奇數電子(OE)離子斷片，其中一個斷片為質子化 m-XDA 離子失去氨分子及氫原子所形成的自由基陽離子。因此，我們乃針對質子化 m-XDA 離子的解離途徑進行一系列的探討，以瞭解自由基陽離子斷片的生成過程。. H2N. NH2. 圖 4-1 m-XDA 的分子結構. 4.1.1 氣相中的解離於正電模式操作下，m-XDA 的電噴灑游離質譜圖中，主要的離子訊號為 m/z 137 和 m/z 120 (圖 4-2A)，其中的 m/z 137 為質子化 m-XDA 離子 (MH+)的訊號表現。化合物 m-XDA 具有兩個-CH2NH2 取代基，其電子密度圖(electron density map)顯示分子中兩個氮原子的孤對電子對(lone pair) 是質子化的最佳位置(圖 4-3)；理論上於 ESI 操作下，可以生成帶有二個質子的二價陽離子(m/z 69)，然而，實驗中一價陽離子的訊號強度遠大於二價陽離子，推斷是因為 m-XDA 分子中的兩個-CH2NH2 取代基距離過 19.

(33) 近，若形成二價陽離子，其間電荷排斥力過大而不利生成。ESI 是一種軟性(soft)游離法，一般於 ESI 游離源中並不會產生大量的斷片離子，而圖 4-2A 中 m/z 120 離子訊號卻極為強烈，懷疑所購得的標準品有問題，可是當進一步進行 m/z 137 離子的 CID 實驗後，發現只需極小的能量就可以使 m/z 137 離子解離成 m/z 120 離子(圖 4-2B)。因此，圖 4-2A 的 m/z 120 離子訊號可能是來自於 m/z 137 離子於 ESI 游離過程中，失去 NH3 所生成的[MH - NH3]+離子(m/z 120) (圖 4-4)。. 圖 4-2 m-XDA 正電模式：(A)電噴灑游離質譜圖；(B) m/z 137 離子碰撞誘導解離質譜圖. 20.

(34) 圖 4-3 m-XDA 分子的電子密度圖. 圖 4-4 m-XDA 的 m/z 120 離子的生成機制. 4.1.2 液相中的解離雖然 m/z 137 離子經 CID 後可以輕易生成 m/z 120 離子，但我們也不能排除，在配製 m-XDA 樣品溶液時，m-XDA 於溶液中即可解離失去 NH3。因此，我們先將 m-XDA 置於一些嚴苛(harsh)條件下的溶液中一段時間，再將溶液進行 ESI/MS 觀察 m/z 120 離子的生成狀況，若 m/z 120 訊號強度增強，則不能排除圖 4-2A 中的 m/z 120 離子訊號可能部份來自. 21.

(35) 於溶液本身的貢獻。圖 4-5 的 A 是以 1:1 的甲醇水溶液為溶劑配製成約 10-4 M 的 m-XDA 溶液，B 是添加 10 μL 的濃 HCl 於 10-4 M 的 m-XDA 溶液中，使 m-XDA 處於強酸的環境，C 是添加 10 μL 濃度較稀的 1% HCl 於 10-4 M 的 m-XDA 溶液中。結果發現添加鹽酸於樣品溶液和加熱樣品溶液一段時間後，再將其注入質譜儀中，m/z 120 和 m/z 137 的相對訊號強度(即 m/z 120 訊號強度除以 m/z 137 訊號強度)並沒有規律性的變化(圖 4-5)，顯示 m/z 120 離子的生成並非來自 m-XDA 於溶液中的自我解離。. 圖 4-5 由不同 m-XDA 溶液所得的 m/z 120 和 m/z 137 離子訊號強度比值. 初步實驗結果顯示，質子化 m-XDA 離子於 ESI/MS 操作條件下極易解離生成 m/z 120 離子，而這個離子又會進行二次解離，形成罕見的自由基陽離子。因此，我們探討ㄧ系列不同結構 m-XDA 類似物的碰撞解離結. 22.

(36) 果，尋求影響 m/z 120 離子解離能以及自由基陽離子生成的變因。. 4.2 不具有 2 個甲基胺取代基的類似物為了進一步瞭解帶有兩個胺基(-NH2)的芳香族化合物是否都會在 ESI 的過程中失去 NH3，我們探討了三種市面上較容易取得的二胺基芳香族化合物的解離現象；分析的化合物為：m-phenylenediamine (m-PDA)、 o-phenylenediamine (o-PDA) 和 p-aminobenzylamine (p-ABA) 。不同於 m-XDA 在苯環的間位鍵結兩個-CH2NH2 取代基，m-PDA (分子量 108.14 g/mol，圖 4-6)鍵結的是-NH2 取代基。m-PDA 的正電模式電噴灑游離質譜圖中(圖 4-7A)，主要為 m/z 109 離子(MH+)和極微量 m/z 92 離子([MH NH3]+)的訊號，相較於 m-XDA，m-PDA 的[MH - NH3]+離子相對訊號減弱了很多；進一步選取 m/z 109 離子進行 CID，可以觀察到 m/z 92 離子斷片的生成(圖 4-7B)，但比 m-XDA 要進行相同程度斷裂所需的能量更大，圖 4-8 為其可能的斷裂機制。不同於 m-XDA，m-PDA 的二次斷片質譜圖中並沒有[MH - NH3 - H•]●+、[MH - NH3 - H2]+和[MH - 2NH3]+等離子的生成(圖 4-7C)，而是生成了 m/z 65 的 C5H5+離子([MH - NH3 - HCN]+)。比對 m-PDA 和 m-XDA 的結構可以發現，雖然兩者的苯環上同樣具有兩個-NH2 官能基，但 m-PDA 鍵結的是-NH2，而 m-XDA 卻是-CH2NH2。初步結果顯示，取代基-CH2NH2 是生成[MH - NH3 - H•]●+自由基陽離子的關鍵因素，且[MH - NH3 - H2]+和[MH - 2NH3]+離子的生成也同樣與它有關。. 23.

(37) H2N. NH2. 圖 4-6 m-PDA 的分子結構. 圖 4-7 m-PDA 正電模式：(A)電噴灑游離質譜圖；(B) m/z 109 離子碰撞誘導解離質譜圖；(C) m/z 92 離子碰撞誘導解離質譜圖. 圖 4-8 m-PDA 的 m/z 92 離子的生成機制. 24.

(38) 改以觀察 o-PDA 在氣相中的表現，圖 4-9A 是 o-PDA 分子經 ESI 游離後的質譜圖，圖 4-9B 和圖 4-9C 則分別是質子化 o-PDA 離子的一次和二次碰撞誘導解離質譜圖，發現其結果與 m-PDA 相同，二次 CID 的產物離子中沒有[MH - NH3 - H•]●+、[MH - NH3 - H2]+和[MH - 2NH3]+離子。這意謂著取代基相對位置的改變，並不會影響苯二胺化合物的解離途徑(圖 4-10)。. 圖 4-9 o-PDA 正電模式：(A)電噴灑游離質譜圖；(B) m/z 109 離子碰撞誘導解離質譜圖；(C) m/z 92 離子碰撞誘導解離質譜圖. 25.

(39) 圖 4-10 o-PDA 的 m/z 92 離子的生成機制. 須要注意的是，實驗過程中發現 o-PDA 在配製兩小時後，溶液顏色會由原先的透明無色開始轉變為淡黃色，並隨著靜置時間的增長而顏色逐漸加深；若對新鮮配製和久置後的 o-PDA 溶液分別進行 ESI/MS 分析，比較圖 4-11A 和圖 4-11B，可以發現 o-PDA 的 MH+離子(m/z 109)的訊號強度轉弱，而 m/z 119 強度增強外，並且有一系列與 m/z 119 質荷比相差 14 dalton (Da)的離子產生。為了瞭解 o-PDA 溶液的穩定性，我們同時將高濃度(10-2 M)和低濃度(10-4 M)的 o-PDA 溶液靜置在不同條件的光照和溫度下十小時，但只選擇濃度較低的 10-4 M o-PDA 溶液注射到質譜儀分析，並比較其間 ESI/MS 結果的不同。圖 4-12 的縱軸為離子訊號強度分率，橫軸為 o-PDA 的 MH+離子及其他特定離子的質荷比訊號；其中的 A 是將 10-4 M o-PDA 溶液置於室溫且有光照的環境，C 是將 10-4 M o-PDA 溶液置於室溫而沒有光照(包覆鋁箔)的環境，D 是將 10-4 M o-PDA 溶液置於冰箱(-20°C)但不包覆鋁箔(冰箱內無光照)的環境，E 是將 10-4 M o-PDA 溶液置於冰箱(-20°C)且又另外包覆有鋁箔的環境，F 是直接在室溫且有光照的環境下配製完 10-4 M 的樣品溶液後立刻進行質譜分析。以肉眼觀察，只有在室溫且有光照環境下的 10-2 M 溶液會變為黃色，其餘條件下的 10-2 M 和 10-4 M 溶液皆為透明無色，故我們另外將已變為黃色 26.

(40) 的 10-2 M 溶液再稀釋為 10-4 M 溶液後進行 ESI/MS 分析(圖 4-12 的 B)，其 m/z 133 和 m/z 147 離子訊號強度的相對比值較高，有可能是導致溶液變為黃色的原因。實驗結果發現，新鮮配製的 o-PDA 溶液的 MH+離子(m/z 109)訊號最強，較不受其他離子訊號的抑制；保存於-20°C 冰箱中的溶液雖然也可獲得不錯的 m/z 109 訊號強度，但已可見一定強度的 m/z 119、 m/z 133、m/z 147......等等一連串的訊號；若是將溶液放置於室溫和光照的條件下，m/z 109 的訊號強度會較弱，甚至低於其他離子。另外，我們也針對 m/z 119、m/z 133、m/z 147 和 m/z 161 離子進行 CID 實驗，發現各離子都需要 20.0 eV 左右的碰撞能才會有 m/z 92 的碎片離子生成，顯示這些離子可能不只是單純的加成離子(adduct ion)。因此，未來在進行 o-PDA 的相關實驗時，樣品應該要新鮮配製。. 圖 4-11 o-PDA 正電模式：(A)新鮮配製溶液；(B)久置溶液的電噴灑游離質譜圖. 27.

(41) 圖 4-12 於各種存放條件，o-PDA 在正電模式下的電噴灑游離質譜圖中， m/z 109、m/z 119、m/z 133、m/z 147、m/z 161、m/z 175 和 m/z 189 離子訊號強度的相對比值. 上述兩種苯二胺化合物的二次 CID 斷片皆沒有[MH - NH3 - H•]●+、 [MH - NH3 - H2]+和[MH - 2NH3]+等離子的生成，我們接著研究苯環上各鍵結一個-CH2NH2 和-NH2 取代基的化合物 p-ABA (分子量 122.17 g/mol，圖 4-13)的解離現象。圖 4-14A 是 p-ABA 的電噴灑游離質譜圖，依據我們的理論計算結果，p-ABA 分子中-NH2 和-CH2NH2 的質子親和力約各為 211.2 kcal/mol 和 228.0 kcal/mol，所以質子化 p-ABA 離子的質子應是落在-CH2NH2 上(圖 4-15)。質譜儀的碰撞能設定在 5.0 eV 便可以很有效率使質子化 p-ABA 離子失去 NH3 (圖 4-14B 和圖 4-15)，這個離子雖可再進一步解離生成 m/z 79 和 m/z 77 離子，但與苯二胺結果相同，並沒有[MH - NH3 - H•]●+、[MH NH3 - H2]+和[MH - 2NH3]+ 等離子的生成(圖 4-14C)。結果顯示，雖然. 28.

(42) o-PDA、m-PDA 和 p-ABA 都帶有兩個胺基，但它們的 MH+離子經二次 CID 後並不會像 m-XDA 一樣的生成[MH - NH3 - H•]●+離子。因此，苯環上的兩個胺基必須都是甲基胺，這是 MH+離子經二次 CID 後要生成少見的[MH - NH3 - H•]●+自由基陽離子和斷裂成[MH - 2NH3]+離子的必要條件。. H2N NH2. 圖 4-13 p-ABA 的分子結構. 圖 4-14 p-ABA 正電模式：(A)電噴灑游離質譜圖；(B) m/z 123 離子碰撞誘導解離質譜圖；(C) m/z 106 離子碰撞誘導解離質譜圖. 29.

(43) 圖 4-15 p-ABA 的 m/z 106 離子的生成機制. 理論計算可以模擬各種 MH+離子解離成[MH - NH3]+離子，或是[MH - NH3]+離子解離成[MH - NH3 - H•]●+自由基陽離子所需的能量，為了能預測一些 XDA 衍生物可能得到的 CID 斷片，我們以能量的觀點來探討何以 o-PDA、m-PDA 和 p-ABA 的[MH - NH3]+離子無法解離生成[MH - NH3 - H•]●+離子。結果顯示，o-PDA 的[MH - NH3]+離子生成[MH - NH3 - H•]●+ 離子需要 77.2 kcal/mol，m-PDA 需要 86.2 kcal/mol，而 p-ABA 則需要 112.6 kcal/mol，三者皆比 m-XDA (48.6 kcal/mol)的值高(圖 4-16 和圖 4-17)。可以看出來，由 o-PDA、m-PDA 和 p-ABA 生成的[MH - NH3]+離子解離•H，成為自由基陽離子所需的底限能極高，造成碰撞誘導解離質譜圖中沒有 [MH - NH3 - H•]●+離子的顯現。若比對三種 PDA 結構異構物的底限能，則任一種解離情形所需的能量都比 m-XDA 高(圖 4-16)，導因於 PDA 為苯胺化合物，由其身上解離 NH3 和•H 都會破壞芳香性，因此，PDA 結構異構物兩個-NH2 相對位置的不同，並不會造成底限能太大的變化。相反的，由 ABA 解離 NH3 並不會破壞芳香性，圖 4-17 是三種 ABA 結構異構物底限能的計算結果。m-ABA 生成[MH - NH3]+ 離子的底限能為 30.6 kcal/mol，僅略高於 m-XDA (29.0 kcal/mol)，o-ABA (24.2 kcal/mol)和 p-ABA (13.3 kcal/mol)所需的能量較 m-XDA 略低，而與 p-XDA (26.7 kcal/mol)相近，但遠低於 o-XDA 的 45.1 kcal/mol (圖 4-59)；稍後 4.4 節 30.

(44) 中將說明何以 o-XDA 生成[MH - NH3]+離子的底限能會遠高於 m-XDA。然而，三種 ABA 由[MH - NH3]+離子解離成[MH - NH3 - H•]●+離子的底限能都較 m-XDA 高了許多，原因在於失去•H 將會破壞芳香性。. 圖 4-16 以 UB3LYP/6-311++G(d,p)理論計算質子化 PDA 離子解離生成 [MH - NH3]+和[MH - NH3 - H•]●+離子所需能量. 31.

(45) 圖 4-17 以 UB3LYP/6-311++G(d,p)理論計算質子化 ABA 離子解離生成 [MH - NH3]+和[MH - NH3 - H•]●+離子所需能量. 化合物 m-XDA 的結構中具有兩個-CH2NH2 取代基，其 MH+離子經 CID 後會解離成數個 EE 離子斷片和數個罕見的 OE 離子斷片，我們選擇在結構中具有兩個-CH2OH 取代基的分子，觀察此種分子在質譜中的氣相表現，並與 m-XDA 的解離情形進行比較。化合物 p-benzenedimethanol (p-BDM，分子量 138.17 g/mol，圖 4-18)在 ESI 負電模式下可以觀察到[M －. －. - H] (m/z 137)和[M - H - H2O] (m/z 119)離子的生成(圖 4-19A)，若是選－. 擇[M - H] 離子進行 CID 後主要會解離成 m/z 119 和 m/z 107 離子(圖－. 4-19B)，其中的 m/z 119 離子是[M - H] 離子失去一個水分子的斷片離子，－. 而 m/z 107 離子則是[M - H] 離子失去一個甲醛分子的斷片離子(圖. 32.

(46) －. 4-20)。圖 4-19C 是選擇 p-BDM 的[M - H - H2O] 離子進行 CID 實驗，與 m-XDA 針對[MH - NH3]+離子的 CID 結果並不相同，p-BDM 的[M - H －. －. H2O] 離子經 CID 後不會產成[M - H - 2H2O] 離子或者其他的 OE 離子。. HO. OH. 圖 4-18 p-BDM 的分子結構. 圖 4-19 p-BDM 負電模式：(A)電噴灑游離質譜圖；(B) m/z 137 離子碰撞誘導解離質譜圖；(C) m/z 119 離子碰撞誘導解離質譜圖. 33.

(47) 圖 4-20 p-BDM 的 m/z 107 離子的生成機制. 4.3 具有 2 個甲基胺取代基的 6 環 m-XDA 類似物 4.3.1 環己烷二胺化合物除了探討取代基種類對自由基陽離子生成的影響外，我們也想瞭解苯環的共振結構是否會影響[MH - NH3 - H•]●+ 等離子的生成。化合物 1,3-cyclohexanebis(methylamine) (CHBMA，分子量 142.25 g/mol，圖 4-21) 與 m-XDA 一樣具有兩個甲基胺取代基，唯其不具有苯環共振結構，由 4.1 節的實驗結果推論，CHBMA 應該可以解離生成[MH - NH3 - H•]●+、 [MH - NH3 - H2]+和[MH - 2NH3]+離子。 CHBMA 的電噴灑游離質譜圖中可以觀察到 MH+ (m/z 143)、[MH NH3]+ (m/z 126)和[MH - 2NH3]+ (m/z 109)離子的生成(圖 4-22)，其[MH NH3]+離子(m/z 126)的碰撞誘導解離質譜圖中雖然有[MH - 2NH3]+離子 (m/z 109)，但是並沒有偵測到 m/z 125 ([MH - NH3 - H•]●+)和 m/z 124 ([MH - NH3 - H2]+)離子(圖 4-23C)；而[MH - 2NH3]+離子(m/z 109)的碰撞誘導解離質譜圖中同樣也沒有觀察到自由基陽離子的生成(圖 4-23D)。因此， CHBMA 雖然具有兩個-CH2NH2 取代基，其 MH+離子可以解離生成[MH -. 34.

(48) NH3]+和[MH - 2NH3]+離子，但是卻沒有辦法生成[MH - NH3 - H•]●+和[MH - NH3 - H2]+離子，這表示苯環的共振結構是會促進自由基陽離子的生成。. H2N. NH2. 圖 4-21 CHBMA 的分子結構. 圖 4-22 CHBMA 正電模式下的電噴灑游離質譜圖. 35.

(49) 圖 4-23 CHBMA 正電模式：(A) m/z 144；(B) m/z 143；(C) m/z 126；(D) m/z 109 離子碰撞誘導解離質譜圖. 圖 4-22 為 CHBMA 的電噴灑游離質譜圖，主要為 MH+ (m/z 143)、[MH - NH3]+ (m/z 126)和[MH - 2NH3]+ (m/z 109)離子的訊號表現，CID 結果確認 m/z 126 和 m/z 109 離子為 m/z 143 離子的斷片離子(圖 4-23B)，且不同於 m-XDA，CHBMA 在 ESI 游離過程中就會失去兩個 NH3 (圖 4-22 和圖 4-24)。值得注意的是，質子化 CHBMA 離子(C8H19N2+)中 12C (m/z 143)和 13. C (m/z 144)的同位素訊號強度比值理論上應是 10.08，但是在實驗所得. 的質譜圖中，m/z 144 訊號卻異常強烈，其 m/z 143 和 m/z 144 的訊號強度比值為 3.43，為了釐清 m/z 144 的訊號是否為其他非 CHBMA 的化合物所生成，乃對 m/z 144 離子進行 CID 實驗，結果顯示 m/z 144 與 m/z 143 同樣有質荷比相差 17 Da 和 34 Da 的斷片離子生成(圖 4-23A)，而且訊號相對強度相近，這表示圖 4-22 中的 m/z 144 訊號確實為質子化 CHBMA. 36.

(50) 離子的 13C 訊號，至於何以 12C (m/z 143)和 13C (m/z 144)的相對訊號強度比值嚴重偏離理論值，則尚待未來進一步探討瞭解。. 圖 4-24 CHBMA 的 m/z 126 和 m/z 109 離子的生成機制. 如前所述，電噴灑游離質譜圖結果顯示 CHBMA 較 m-XDA 容易生成[MH - NH3]+ (m/z 126)和[MH - 2NH3]+ (m/z 109)離子，故我們針對質子化 CHBMA 離子於不同解離途徑所需的底限能進行量測。圖 4-25 中縱軸為碰撞誘導解離質譜圖中離子訊號強度的分率，即特定離子訊號強度除以碰撞誘導解離質譜圖中總離子強度，在此的總離子強度是為 m/z 143、 m/z 126 和 m/z 109 的訊號強度和，橫軸為施加的碰撞能(collision energy)；所標示的碰撞能為分析物獲得的加速能量(lab frame energy)，而還未換算成離子實際所獲得的內能(center-of-mass frame energy)，這兩種能量標示法的差異及換算稍後將會解釋。然而，在選擇 m/z 143 離子進行 CID 實 37.

(51) 驗的過程中，即使只施加很低的 0.5 eV (lab frame)碰撞能也會得到 m/z 126 的碎片離子訊號，造成我們無法直接藉此定義 m/z 126 離子生成時所施加的碰撞能量為底限能。因此，我們改由觀察離子訊號強度的相對比值，並定義當數值之間的變化穩定且開始有增加或減少趨勢時的碰撞能量為底限能。由圖 4-25 顯示，在碰撞能 1.6 eV (lab frame)以前，離子訊號強度的相對比值之間的變異較大，而大約在 1.7 eV (lab frame)以後，離子訊號強度的相對比值開始呈現逐漸增加的趨勢，所以我們定義 1.7 eV (lab frame)碰撞能量即是可使 m/z 143 離子發生解離反應的底限能。. 圖 4-25 CHBMA 的 MH+離子在碰撞氣體壓力為 5 psi，不同碰撞能下，m/z 143、m/z 126 和 m/z 109 離子訊號強度的相對比值. 除了探討 CHBMA 是否可以解離生成自由基陽離子外，我們也針對 CHBMA 的[MH - NH3]+和[MH - 2NH3]+離子的底限能進行初步測量，[MH - 2NH3]+離子的底限能指的是[MH - NH3]+離子斷裂成[MH - 2NH3]+離子所需的最低能量，測量時先以 in-source CID 方式，58 調高游離源的 Cone 電壓，使 MH+離子先行在游離源處斷裂成[MH - NH3]+離子，再導入碰撞. 38.

(52) 室進行二次 CID。圖 4-26 是 CHBMA 的[MH - NH3]+離子在不同碰撞能下，m/z 126 和 m/z 109 訊號強度的分率(即 m/z 126 或 m/z 109 離子的訊號強度大小除以兩離子的訊號強度和)，可以發現質子化 CHBMA 離子失去一個 NH3 後，若是再受到平均為 3.5 eV (lab frame)的碰撞能後，會失去第二個 NH3，生成[MH - 2NH3]+離子(m/z 109)。. 圖 4-26 CHBMA 的[MH - NH3]+離子在碰撞氣體壓力為 5 psi，不同碰撞能下，m/z 126 和 m/z 109 離子訊號強度的相對比值. 質譜學中的 CID 技術是在碰撞室引入碰撞氣體(如：氬氣)，使其與具有動能的特定離子碰撞，此時部份動能會轉變成離子的內能，增加化學鍵的振動能(virbrational energy)，當振動能超出特定化學鍵的鍵能，化學鍵便會斷裂產生碎片離子。操作質譜儀時所施予離子的能量(lab frame, Elab)，在碰撞過程中並非完全轉移成振動能，所以需要以公式 2 將碰撞過 Ecm＝ElabM/(M＋m) 其中 M 為碰撞氣體的質量(Ar＝40)，m 為離子的質量。. 39. (2).

(53) 程中動能換算出實際轉換成振動能的量，即所謂的質心系統能量 (center-of-mass frame, Ecm)。59 若能控制碰撞氣體密度，使碰撞室內碰撞氣體與離子的碰撞頻率控制在單一碰撞之下，則藉由改變碰撞能，觀察斷片離子訊號強度的變化，可以粗略推算出特定離子斷片生成的底限能，這能量也代表著碰撞離子中特定化學鍵的鍵能。將圖 4-25 和圖 4-26 的資料轉為質心系統後，顯示 8.6 kcal/mol (1 eV ≒ 23.06 kcal/mol)的碰撞能即可使質子化 CHBMA 離子解離失去一個 NH3，而[MH - 2NH3]+離子的底限能則在 19.4 kcal/mol 左右。除了實驗值以外，我們也以理論計算方式探討特定化學鍵的鍵能，以便瞭解在實驗操作條件下所得的結果與理論值是否一致。CHBMA 分子具有順式(cis) 和反式(trans)兩種結構，兩者生成[MH - NH3]+離子的底限能並不相同(圖 4-27)，計算結果顯示質子化 cis-CHBMA (圖 4-28B)和 trans-CHBMA (圖 4-28C)離子生成[MH - NH3]+離子的底限能分別為 41.9 kcal/mol 和 37.4 kcal/mol，比 m-XDA 的 29.0 kcal/mol 來得高。雖然理論計算反應所需能量的結果皆高於質譜 CID 的實驗值，但 m-XDA 較 CHBMA 容易失去 NH3 的趨勢，實驗結果與理論計算結果是一致的(表 4-1)。cis-CHBMA 由[MH - NH3]+ 離子斷裂生成 [MH - 2NH3]+ 離子的理論計算底限能為 8.4 kcal/mol，trans-CHBMA 則需要 9.6 kcal/mol，兩者都比 m-XDA 所需的 61.0 kcal/mol 低了許多，這也說明了何以在 CHBMA 的電噴灑游離質譜圖中就可以觀察到[MH - 2NH3]+離子的訊號，但 m-XDA 的電噴灑游離質譜圖卻沒有。同樣由圖 4-27 的結果也可以看出，各[MH - NH3]+離子要失去一個氫原子所需的能量為：trans-CHBMA (55.5 kcal/mol)＞cis-CHBMA. 40.

(54) (51.8 kcal/mol)＞m-XDA (48.6 kcal/mol)，這也是何以 CHBMA 的二次 CID 不會有[MH - NH3 - H•]●+離子生成的原因。理論計算所得的底限能普遍高於實驗值(表 4-1)，推測歸因於使用的質譜儀於操作時，離子進入質譜儀前已受到質譜儀入口施予的牽引電位影響而具有動能，所以碰撞室中離子本身實際的動能是高於儀器施加的碰撞能，導致實驗所得的解離能被低估。. 圖 4-27 以 UB3LYP/6-311++G(d,p)理論計算質子化 CHBMA 離子解離生成[MH - NH3]+、[MH - NH3 - H•]●+和[MH - 2NH3]+離子所需能量. 41.

(55) CHBMA 的[MH - NH3]+離子生成底限能比 m-XDA 高，顯示具有芳香性反而可以降低底限能。質子化 cis-CHBMA 離子中的兩個-CH2NH2 取代基可以是同時位於六圓環的 equatorial (圖 4-28A)或 axial 位置(圖 4-28B) ，前者的兩個 -CH2NH2 取代基可共享質子形成內氫鍵作用力 ([-H2N…H+…NH2-])，這個結構與質子化 o-XDA 離子(圖 4-43)類似，理論計算顯示圖 4-28A 此種結構的 cis-CHBMA，其[MH - NH3]+離子底限能為 53.9 kcal/mol。相反的，axial-axial 的 cis-CHBMA 其分子結構較類似於 m-XDA，兩個-CH2NH2 取代基距離較遠，彼此之間幾乎沒有作用力，所以其 MH+離子解離生成[MH - NH3]+離子只需要 41.9 kcal/mol 的能量。質子化 trans-CHBMA 離子中的兩個-CH2NH2 取代基各處於 axial 和 equatorial 位置，距離較遠，且彼此之間也沒有作用力，而計算所得的[MH - NH3]+離子底限能為 37.4 kcal/mol，為三種 CHBMA 結構能量最低者(表 4-1)。. 42.

(56) 圖 4-28 UB3LYP/6-311++G(d,p)理論計算：(A)順式且兩取代基皆位於 equatorial 位置；(B)順式且兩取代基皆位於 axial 位置；(C)反式的質子化 CHBMA 離子最佳化結構. 43.

(57) 4.3.2 苯三胺化合物化合物 2,4,6-triethyl-1,3,5-benzenetrimethanamine (TEBTMA，分子量 249.39 g/mol，圖 4-29)的三個-CH2NH2 取代基分別位於苯環的 1、3 和 5 號碳的位置，苯環的另外三個碳則是接有-CH2CH3 取代基。TEBTMA 的電噴灑游離質譜圖可觀察到 MH+ (m/z 250)和強烈的[MH - NH3]+ (m/z 233)、[MH - 2NH3]+ (m/z 216)及[MH - 3NH3]+ (m/z 199)離子的訊號(圖 4-30)，類似於 CHBMA 的 ESI/MS 表現，TEBTMA 的 MH+離子只需很小的能量就足以解離失去一個 NH3，甚至失去第二和第三個 NH3。若對 MH+ 離子(m/z 250)進行 CID，則證實了 m/z 233、m/z 216 和 m/z 199 離子皆是其斷片離子(圖 4-31A)。以[MH - NH3]+離子(m/z 233)進行 CID，則只需要大約 10.0 eV (lab frame)的碰撞能就可使大部份的 m/z 233 離子都解離成 [MH - 2NH3]+和[MH - 3NH3]+離子(圖 4-31B)。然而，在針對[MH - 2NH3]+ 和[MH - 3NH3]+離子進行 CID 時，雖然離子解離的模式與 m-XDA 不太相同，但是卻仍然可以觀察到一些質荷比彼此相差 1 Da 的離子(圖 4-31C 和圖 4-31D)，推測 TEBTMA 生成的[MH - 2NH3]+和[MH - 3NH3]+離子在 CID 的過程中也會解離產生一些自由基陽離子。. 44.

(58) NH2. NH2 H2N. 圖 4-29 TEBTMA 的分子結構. 圖 4-30 TEBTMA 正電模式下的電噴灑游離質譜圖. 45.

(59) 圖 4-31 TEBTMA 正電模式：(A) m/z 250；(B) m/z 233；(C) m/z 216；(D) m/z 199 離子碰撞誘導解離質譜圖. 圖 4-32 是針對質子化 TEBTMA 離子(MH+)進行底限能探討的實驗，縱軸為碰撞誘導解離圖中各離子訊號強度的分率(即各離子的訊號強度大小除以 m/z 250、m/z 233、m/z 216、m/z 199、m/z 171 和 m/z 143 離子的訊號強度和)，橫軸為碰撞能。結果顯示，質子化 TEBTMA 離子(m/z 250) 在 1.1 eV (lab frame)很小的碰撞能下就會大量斷裂成 m/z 233 離子，當碰撞能增加至 3.0 eV (lab frame)以後，會逐漸有 m/z 199 離子生成，而在 3.2 eV (lab frame)以後，才會有 m/z 216 離子生成，直到碰撞能增加至 6.0 eV (lab frame)以後才有 m/z 171 和 m/z 143 離子的生成。. 46.

(60) 圖 4-32 TEBTMA 的 MH+離子在碰撞氣體壓力為 5 psi，不同碰撞能下， m/z 233、m/z 216、m/z 199、m/z 171 和 m/z 143 離子訊號強度的相對比值. 由 TEBTMA 的電噴灑游離質譜圖可觀察到強烈的[MH - NH3]+ (m/z 233)、[MH - 2NH3]+ (m/z 216)及[MH - 3NH3]+ (m/z 199)離子訊號，故在探討生成各種二次 CID 產物離子的底限能時，不需要以 in-source CID 的方式先行讓質子化 TEBTMA 離子(MH+)於游離源處大量斷裂成斷片離子提高其訊號強度。圖 4-33 則是針對 TEBTMA 的[MH - NH3]+離子(m/z 233) 進行不同碰撞能下的 CID 實驗，縱軸為碰撞誘導解離圖中各離子訊號強度的分率(即各離子的訊號強度大小除以 m/z 233、m/z 216、m/z 199、m/z 171 和 m/z 143 離子的訊號強度和)，橫軸為碰撞能。結果顯示，約 1.4 eV (lab frame)的碰撞能就可以造成 m/z 233 離子斷裂成 m/z 216 離子，當碰撞能小幅增加至 1.6 eV (lab frame)以後，會逐漸有 m/z 199 離子生成，而在 2.3 eV (lab frame)以後的碰撞能，會有 m/z 171 離子生成，直到碰撞能增加至 4.0 eV (lab frame)以後才會有較多的 m/z 143 離子生成。同樣針對 TEBTMA 的[MH - 2NH3]+離子(m/z 216)進行 CID 實驗，圖 4-34 的縱軸為碰撞誘導解離圖中各離子訊號強度的分率(即各離子的訊號強度大小除 47.

(61) 以 m/z 216、m/z 199、m/z 171 和 m/z 143 離子的訊號強度和)，橫軸為碰撞能。結果顯示，約 1.2 eV (lab frame)的碰撞能就可以造成 m/z 216 離子斷裂成 m/z 199 離子，當碰撞能增加至 1.8 eV (lab frame)以後，會逐漸有 m/z 171 離子生成，而在 2.6 eV (lab frame)以後的碰撞能，會有 m/z 143 離子生成。圖 4-35 則是針對 TEBTMA 的[MH - 3NH3]+離子(m/z 199)進行 CID 實驗，縱軸為碰撞誘導解離圖中各離子訊號強度的分率(即各離子的訊號強度大小除以 m/z 199、m/z 171 和 m/z 143 離子的訊號強度和)，橫軸為碰撞能。結果顯示，約 1.1 eV (lab frame)的碰撞能就可以造成 m/z 199 離子斷裂成 m/z 171 離子，而在 1.6 eV (lab frame)的碰撞能就可偵測到有 m/z 143 離子的生成。. 圖 4-33 TEBTMA 的[MH - NH3]+離子在碰撞氣體壓力為 5 psi，不同碰撞能下，m/z 233、m/z 216、m/z 199、m/z 171 和 m/z 143 離子訊號強度的相對比值. 48.