Журнал физической химии, 2023, T. 97, № 2, стр. 227-236

Элиминирование H-атомов и СН₃-групп

За исключением кофеина исследованные объекты с высокой эффективностью образуют ионы [M–H]^– в низкоэнергетической области, как это характерно для ранее изученных урацила, тимина и их метилпроизводных [6]. Эксперименты с монохроматором электронов позволяют выявить особенности на кривых эффективного выхода ионов (рис. 5). В теобромине ион демонстрирует широкую бесструктурную форму кривой выхода с максимумом при 1.72 эВ (как в случае 1-Ме-тимина), который обусловлен отрывом Н-атома из положения N1. Здесь молекулярные ионы образуются посредством резонанса формы с захватом электрона на молекулярную орбиталь $\pi _{2}^{*}$, как в аденине (1.36 эВ) и гуанине (1.37 эВ) [1]. В противоположность этому кривая выхода иона из теофиллина показывает два резких пика при 0.71 и 0.98 эВ. Первый из них демонстрирует зависимость от температуры, что свидетельствует об образовании иона ниже диссоциативного предела. Оба пика представляют часть колебательной моды, соответствующей растяжению связи N7–Н в молекулярном ионе и приводящей к ее диссоциации (как в случае 3-Ме-урацила). Кривая выхода иона в ксантине обусловлена вкладом от процессов отрыва Н-атомов из всех трех положений N1, N3 и N7. Резкий пик при 0.76 эВ и пик в районе 0.4 эВ (по-видимому, температурно зависимый) представляют часть колебательной моды, соответствующей растяжению N3–Н-связи в молекулярном ионе. Слабо выраженная колебательная структура на кривых выхода осколочных ионов обусловлена предиссоциацией молекулярных ионов в дипольно-связанном состоянии [6], причем острые пики при 0.76 эВ в ксантине и при 0.98 эВ в теофиллине обусловлены следствием туннельного механизма выброса Н-атома, как и в случае острого пика при 1.01 эВ на кривых выхода ионов [M–H]^– в урациле и тимине.

Рис. 5.

Кривые эффективного выхода ионов [M–Н]^– из пуринов в диапазоне энергии 0–3.5 эВ. Получены с источником ионов с электронным монохроматором, разрешение по энергии электронов ΔE_1/2 = 0.14 эВ.

Поскольку ионы [M–H]^– образуются с большим сечением, то в контексте этого исследованные молекулы ассоциируются с эффективными поглотителями свободных электронов низких энергий. Кроме того, выброшенные H-атомы могут участвовать в процессах рекомбинации со свободными радикалами, образующимися в результате радиационного действия на биомолекулы клетки, снижая тем самым разрушительные последствия радиации. Следовательно, ксантины могут действовать как радиопротекторы в живых клетках. Аминокислоты и пептиды также интенсивно выбрасывают Н-атом при взаимодействии с электронами низких энергий [17], в связи с чем, ранее в [18] обоснованно предположено о защитной роли белков в условиях радиационного разрушения нуклеиновых кислот в ядрах клеток.

В высокоэнергетической области резонансные пики ионов [M–H]^– слабо проявляются на фоне вторичных процессов, и об их существовании свидетельствует лишь кривая выхода этих ионов из кофеина (рис. 4). Под действием фермента ксантиноксидазы ксантин в организме превращается в мочевую кислоту [11]. Аналог этой реакции в тканях – выброс Н-атома из положения (8) молекул при электронном захвате.

Кривые эффективного выхода нейтралей [M–H]⁰ обусловлены потерей ионами [M–H]^– электронов во второй бесполевой области масс-спектрометра (на рис. 1–4 отмечены как 151n, 179n, 179n и 193n). В низкоэнергетической области они в точности повторяют кривые выхода ионов, но с интенсивностью на два порядка меньше. Здесь ионы образуются вблизи порога, поэтому потеря электрона возможна лишь в результате столкновения ионов с молекулами собственного или остаточного атмосферного газа. В высокоэнергетической области соотношение интенсивностей пиков ионов и пиков их нейтралей отличается от такового в низкоэнергетической области и свидетельствует о том, что кроме “столкновительного процесса” происходит спонтанный выброс электрона ионами, образовавшимися при потерях различных типов Н-атомов. Образование осколочных ионов в автоотрывном, т.е. нестабильном относительно выброса электрона состоянии является одним из признаков “медленного” распада молекулярных ионов – изомеризации и предиссоциации в результате безызлучательных переходов в молекулярных ионах. Заметим, что метастабильный распад осколочных ионов также служит признаком образования при “медленной” фрагментации последних молекулярных ионов.

Ионы [M–СН₃]^– обнаружены в теобромине (m/z = 165) и кофеине (m/z = 179). Отсутствие пика этих ионов в масс-спектре теофиллина может быть обусловлено отрывом метильной группы только из положения N7 или же нестабильностью фрагментных ионов относительно дальнейшего распада. С выбросом метильной группы частично распадаются ионы [M–Н]^– теофиллина (m/z = = 164 ) в области высоких энергий, о чем свидетельствует метастабильный пик с m/z = 150.3 в масс-спектре (рис. 6). Но мы не исключаем, что ионы [M–Н–СН₃]$^{{--{\kern 1pt} \bullet }}$ образуются и непосредственно из молекулярных ионов в трехчастичном процессе. Пик ионов с m/z = 164 зарегистрирован и в масс-спектре теобромина. Аналог этих процессов в ксантине – интенсивный выброс двух атомов водорода (ионы с m/z = 150), а в кофеине и теобромине – элиминирование двух метильных групп (ионы m/z = 164 и 150 соответственно).

Рис. 6.

Масс-спектры отрицательных ионов из ксантина, теофиллина, теобромина и кофеина при фиксированных энергиях электронов. На врезках в увеличенном масштабе показаны области распространенности метастабильных пиков. Условия экспериментов см. рис. 1–4.

Метаболизм метилксантинов происходит главным образом в печени. Они легко разлагаются потерей метильных групп посредством цитохрома P450 1A2 [19]. Аналог этих реакций в тканях – образование ионов [M–СН₃]^– при электронном захвате. Часть метилксантинов и N-деметилированных продуктов окисляются до мочевой кислоты и ее метилпроизводных. Лишь малая часть метилксантинов выделяется мочой в неизмененном виде.

Разрушение скелета молекул

В низкоэнергетической области ионы [M–28]^– образуются с элементным составом [M–СО]$^{{--{\kern 1pt} \bullet }}$ при распаде шестичленного цикла в ксантине (m/z = 124) и теофиллине (m/z = 152 ). Процессы генерации этих ионов имеют некоторые аналогии с процессами метаболизма ксантинов. В то время как у человека конечным продуктом метаболизма пуринов является мочевая кислота, у многих других видов имеется фермент уратоксидаза, превращающий мочевую кислоту в аллантоин – экскреторный продукт большинства видов млекопитающих, за исключением приматов. В этой реакции в составе выделившейся молекулы углекислого газа присутствует карбонильная группа пурина, что делает ее похожей на реакцию образования ионов [M–СО]$^{{--{\kern 1pt} \bullet }}$ при электронном захвате.

В области высоких энергий ионы [M–28]^– зарегистрированы во всех объектах кроме кофеина, и мы полагаем, что здесь в ксантине и теофиллине они могут образоваться не только при выбросе молекулы СО, но и при распаде пятичленного цикла с элиминированием радикала НN=CН$^{ \bullet }$ или CH₂=N$^{ \bullet }$. О такой возможности свидетельствует пик ионов [M–28]^– в масс-спектре аденина.

Выброс молекулы СО происходит из ионов [M–Н]^– в теофиллине (m/z = 151) и кофеине (m/z = = 165), причем в последнем последовательный распад в высокоэнергетической области подтвержден метастабильным пиком с m/z = 141.1 в масс-спектре (рис. 6). В теофиллине и теобромине ионы с m/z = 137 и 136, возможно, указывают на аналоги этого процесса с соответствующим элементным составом [M–СН₃–СО]^– и [M–Н–СН₃–СО]$^{{--{\kern 1pt} \bullet }}$.

Пик ионов [M–43]^– в низкоэнергетической области зарегистрирован только в масс-спектре ксантина (m/z = 109) и соответствует выбросу молекулы НNСО. В области высоких энергий кривая выхода обусловлена изотопным пиком от ионов с m/z = = 108. Возможно, что в теобромине в области энергии свыше 4 эВ ионы [M–НNСО]$^{{--{\kern 1pt} \bullet }}$ вносят вклад в кривую выхода ионов с m/z = 137. Очевидно, такой процесс не может происходить в теофиллине и кофеине из-за метилзамещения по атомам N1 и N3 в молекулах. По этой же причине ионы [M–Н–НNСО]^– образуются только в ксантине (m/z = 108 m/z) и, возможно, в теобромине (m/z = 136).

Метастабильный пик с m/z = 59.3 в масс-спектре ксантина в области высоких энергий (рис. 6) показывает, что ионы с m/z = 108 распадаются на ионы с m/z = 80 при выбросе молекулы СО. Вероятно, аналогичный процесс происходит и в теобромине с выделением ионов с m/z = 108, но соответствующий ему метастабильный пик в масс-спектре не зарегистрирован. (В свою очередь, ионы [M–Н–НNСО–СО]^– в теобромине могут испытывать дальнейший распад с выбросом одной и двух метильных групп (ионы с m/z = 93 и 78 соответственно)). Исходя из изложенного, можно предположить, что ионы с m/z = 81 в ксантине и ионы с m/z = 109 в теобромине могут образоваться при распаде ионов [M–НNСО]$^{{--{\kern 1pt} \bullet }}$ в результате выброса молекулы СО, но вероятнее, что ионы [M–НNСО–СО]$^{{--{\kern 1pt} \bullet }}$ выделяются непосредственно из молекулярных ионов. По-видимому, аналогичные процессы происходят в кофеине и теофиллине с образованием ионов [M–СН₃NСО–СО]$^{{--{\kern 1pt} \bullet }}$ (m/z = 109 и 95 соответственно).

Аналогами ионов [M–Н–HNCO]^– в ксантине и теобромине являются ионы [M–Н–CH₃NCO]^– в кофеине (m/z = 136), в теофиллине и теобромине (m/z = 122), причем последовательная фрагментация молекулярных ионов через промежуточные ионы [M–Н]^– подтверждена метастабильными пиками с m/z = 95.9 и 83.2 соответственно в масс-спектрах всех трех соединений (рис. 6). Не исключено, что в теофиллине ионы [M–H–CH₃NCO]^– испытывают дальнейший распад при выбросе молекулы СО (ионы с m/z = 94), но этот процесс не подтвержден метастабильным пиком в масс-спектре. Другими аналогами ионов [M–Н–HNCO]^– в ксантине и теобромине являются ионы [M–CH₃–CH₃NCO]^– в кофеине (m/z = 122), теобромине и теофиллине (m/z = 108). Заметим, что в последнем объекте не наблюдается первичных ионов [M–CH₃]^–, но в то же время ионы с m/z = 108 не могут иметь элементный состав [M–Н–HNCO–СО]^– как в теобромине.

В масс-спектре ксантина регистрируется пик ионов [M–2Н–HNCO]$^{{--{\kern 1pt} \bullet }}$ (m/z = 107). В теобромине обнаружен аналог этого иона – [M–Н–CH₃–HNCO]$^{{--{\kern 1pt} \bullet }}$ (m/z = 121), а метастабильный пик с m/z = 89.3 в масс-спектре (рис. 6) свидетельствует о его образовании из ионов [M–Н–СН₃]$^{{--{\kern 1pt} \bullet }}$. Ионы [M–98]^– зарегистрированы в ксантине (m/z = 54) и теобромине (m/z = 82). Они образуются при распаде обоих циклов и имеют элементный состав [M–НNСО–СО–НCN]$^{{--{\kern 1pt} \bullet }}$. Пики ионов с m/z = 65 есть в масс-спектрах всех соединений, и представляют фрагмент пятичленного цикла C₃НN₂^–. Ионы с m/z = 66 регистрируются только в ксантине и теофиллине и представляют пятичленный цикл C₃Н₂N$_{2}^{{--{\kern 1pt} \bullet }}$, в котором сохранены атомы водорода в положениях N7 и С8. Возможно, что ионы с m/z = 106 и 97 в ксантине имеют элементный состав [M–Н–Н₂–HNCO]^– и [M–СО–НCN]$^{{--{\kern 1pt} \bullet }}$ соответственно и для них нет аналогов в других пуринах.

Ионы ОCN^– (m/z = 42), как правило, образуются из соединений, в структуре молекул которых есть амидный фрагмент > NC(O)–. Пики этих ионов регистрируются в масс-спектрах отрицательных ионов из пиримидинов [20], пептидов [17] и т.д. Для ионов ОCN^– родительскими ионами могут быть как молекулярные, так и осколочные ионы. Например, в масс-спектре теобромина в высокоэнергетической области метастабильные пики с m/z = 9.8, 11.8 и 14.5 свидетельствуют о том, что ионы ОСN^– частично образуются в последовательно-параллельных реакциях через промежуточные ионы [M–H]^–, [M–2CH₃]$^{{--{\kern 1pt} \bullet }}$ и [M–H–CH₃NCO]^–. Здесь вклад ионов ОСN^– в полный ионный ток составляет 90%. Высокий выход этих ионов обусловлен их повышенной термодинамической стабильностью, благодаря большому электронному сродству радикала OCN$^{ \bullet }$ (3.609 эВ [19]). В ксантине сечение образования этих ионов превышает таковое в теобромине, но их вклад в полный ионный ток в области высоких энергий составляет лишь 40%. Вероятно, это обусловлено интенсивным конкурирующим каналом распада молекулярных ионов в ионы [M–Н–HNCO]^– (m/z = 108). В кофеине сечение для ионов OCN^– на порядок ниже, чем в ксантине и теобромине. Интенсивным конкурирующим каналом распада молекулярных ионов здесь является реакция выделения ионов [M–Н–СH₃NCO]^– (m/z = 108 m/z), а суммарный вклад в полный ионный ток этих двух видов составляет 85%. Также с низким сечением образуются ионы OCN^– в теофиллине, а основной вклад в полный ионный ток в области высоких энергий вносят ионы [M–Н–СH₃]$^{{--{\kern 1pt} \bullet }}$ (m/z = 164) и [M–Н–СH₃NCO]^– (m/z = 122).