Journal of Chemical Software Vol.3, No.4, p.139 (1997)

分子軌道計算を利用した長鎖塩基のフラグメンテーションの解析

岸根秀樹　・　林　　陽

Ⅰ．はじめに

　スフィンゴ脂質の主要な構成成分の一つである長鎖塩基（LCB）は通常、スフィンゴ糖脂質やスフィンゴリン脂質を塩酸－メタノールによって加水分解を行った後、アルカリ下でエーテル抽出を行うことにより得られ、ジヒドロキシ（d）LCBならば2個、トリヒドロキシLCBならば 3個の水酸基をトリメチルシリル（TMS）化してガスクロマトグラフィー・質量分析計（GC/MS）により分析される。イオン化には電子衝撃法（EI）が使用される。

Fig.1　EI/MS of TMS-long chain base(d18:1)

　Fig.1にd18:1LCBの EI/MSを示した。通常、分子イオン（M^+・）は検出されないで、m/z 428に[M-15]⁺イオン（TMS基よりメチルラジカルの脱離）、m/z 340に[M-103]⁺イオン（分子イオンより CH₂OTMSラジカルの脱離）、m/z 338に[M-15-90]⁺イオン（メチルラジカル＋TMS-OH（TMS基と水酸基による中性分子）の脱離）が現れるので、これらのイオンより、その LCBの分子量が決まる。そして LCBのTMS誘導体特有のベースピークイオンである m/z 132（[H₂NCHCH₂OTMS]⁺）のイオンが現れるので LCBであることを確認する。
　この GC/EI/MS法は LCBを分析する際、最もよく用いられる方法であるが、EI/MSにおける LCBのTMS誘導体のフラグメンテーションについて、詳細に検討された研究報告は非常に少ない^１～３）。著者らは以前の報告^４）において、LCBのTMS誘導体のフラグメンテーションについてリンク走査法により検討し、LCBのTMS誘導体特有のベースピークイオンである m/z132のイオンや [M-103]⁺イオンのフラグメンテーションを予測し、[M-15]⁺イオンをプリカーサーイオンとして [M-15-90]⁺イオンが生成するフラグメンテーションがあることを確認した。しかし、[M-15]⁺イオンや [M-15-90]⁺イオンが、１位または３位の炭素のどちらの水酸基に結合した TMS基より脱離して生成するイオンであるかは予測できなかった。
　今回、著者らは d18:1（炭素数18個、二重結合1個（4位）、水酸基2個（１位および３位）LCBのマススペクトルのフラグメントイオンをもとに、分子イオン、[M-15]⁺、[M-15-90]⁺イオンについて、MOPACの AM1法を用いて分子軌道（MO）計算を行い、各イオンの生成熱（△H_ｆ）と安定構造を算出した。そして求められたイオンの安定構造と△H_ｆより、LCBの TMS誘導体の分子イオンから [M-15]⁺、[M-15-90]⁺のイオンが生成するフラグメンテーションについて予測を行った。またベースピークとなり、LCBであることの確認に必須で、大切なイオンである m/z 132のイオン構造についても予測を行った。

Ⅱ．LCBのGC/EI/MS

　d18:1LCBは貝^５）のスフィンゴ脂質および牛脳のスフィンゴ脂質より塩酸－メタノールによる加水分解^６）により調製した。Ｏ-TMS化はLCB約 0.5 mgをピリジン 0.5 dm^-3に溶かし、ヘキサメチルジシラザン 0.1 dm^-3、トリメチルクロロシラン 0.05 dm^-3を加え、混合した後、65 ℃で5分間加熱した。得られたTMS誘導体はGC-MSで分析した。装置は日本電子JMS-HX 100 質量分析計を用い、3%-SE-30（2m）のカラムで分析した。カラム温度は 225 ℃、加速電圧 5 kV、イオン化電流 300 μA、イオン化電圧 22.5 eV で行った。

Ⅲ．量子化学的計算

　計算を行うための d18:1LCBの TMS誘導体の入力構造は CONFLEXプログラム^７）を用いて最小エネルギー配座を発生させ、再度 MM2^８，９）計算を行う事により求められた構造を初期入力構造とした。
　M^+・（m/z 443）、[M-15]⁺（m/z 428）、[M-15-90]⁺（m/z 338）イオンの計算にはMOPAC Ver6^{１０～１３）}のAM1法を使用した。M^+・の△H_ｆの計算は、まずイオン化されていない分子についてAM1法で計算を行い、求められた△H_ｆとイオン化エネルギー（IE）をもとに式（1）^１４）に当てはめて求めた。

　（1）　△H_ｆ（M^+・）＝△H_ｆ（M）＋IE（M）

　[M-15]⁺、[M-15-90]⁺イオンの計算は求められた M^+・の構造より、それぞれの１位または３位の炭素の水酸基に結合している TMS基よりメチル基1つを除いた構造（[M-15]⁺）、 TMS-OHを 1つ除いた構造([M-15-90]⁺)を作成し、キーワードに CHARGE=1を指定して計算を行った。　m/z 132のイオンの計算は２位と３位の炭素間で開裂して生成するイオンの構造を作成し、キーワードに CHARGE=1を指定して計算を行った。
　これらのイオン構造の MO計算を行う際、その他のキーワードは AM1, VECT, BONDS, PRECISE, EF, GNORM=0.01, T=12H などを指定した。
　入力構造の作成および MO計算によって求められた安定構造のボールアンドステックモデルの表示には Free Wheel for MS-Windows^１５）を用いた。

Ⅳ.結果および考察

１．[M-15]⁺、[M-15-90]⁺のイオンが生成するフラグメンテーションについて
　まず 1位の水酸基に結合しているTMS基からメチルラジカルが脱離し、続いて３位のTMS基が水酸基（水素は２位の炭素より転移）を伴って中性分子として脱離するのをａルート、３位のTMS基からメチルラジカルが脱離し、１位のTMS基が水酸基（水素は２位の炭素より転移）を伴って脱離するのをｂルートとした。
　Fig.2にａルートおよびｂルートのそれぞれのイオンについて、MOPACのAM1法により計算したイオン構造をボールアンドスティックモデルで表し、Table １に各イオンの△H_ｆの値を示した。

Fig.2 Fragmentation pathways of TMS-long chain base.

              Table 1  Heat of formation of fragment ions (kJ/mol)

　　　        ──────────────────────────              
　　           ルート    分子イオン　 [M-15]⁺　　　[M-15-90]⁺      
              ──────────────────────────              
              　 ａ     －２８０　 　－５７８　　 　－８０         
              ──────────────────────────              
              　 ｂ     －２８０     －５８４       －３９　　　   
              ──────────────────────────

　その結果、[M-15]⁺イオンについては、ａ、ｂ両ルートとも、TMS基からメチルラジカルが脱離するだけではなく、Fig.2の[M-15]⁺イオンの構造にも示すように、脱離後のジメチルケイ素と 2位のアミノ基の窒素との間に環状構造を形成するイオンａ－１、ｂ－１が最安定構造となった。[M-15-90]⁺イオンについても、ａ－１、ｂ－１の[M-15]⁺イオンの環状構造を保ったまま、TMSOHが脱離したａ－２、ｂ－２のイオン構造が安定構造となった。
よって MOPACのAM1法により算出された△H_ｆを比較した結果、分子量の決定に必要なイオンである [M-15]⁺や[M-15-90]⁺のフラグメントイオンのフラグメンテーションは、ａルートの通って生成するａ－２の[M-15-90]⁺イオンの方が△H_ｆが小さいことから、まず１位の水酸基に結合している TMS基よりメチルラジカルが脱離してａ－１の[M-15]⁺イオンを生成し、続いて３位の水酸基より TMS-OHが脱離してａ－２の[M-15-90]⁺イオンが生成すると推測された。

Fig.3 structure of c-1

　またａルートにおいて、１位に結合している TMS基からメチルラジカルが脱離する際に Fig.3のｃ－１のような環状構造にならない [M-15]⁺イオン（△H_ｆ= -410 kJ/mol）構造も得られたが、ａルートの環状構造の[M-15]⁺イオン（ａ－１，△H_ｆ= -578 kJ/mol）に比べて△H_ｆが大きいので、このイオン構造はとりにくいと推測された。そして、このｃ－１イオンについても３位の水酸基に結合しているTMS基がTMS-OHとして脱離するとａルートの[M-15-90]⁺イオンと同じ環状構造のａ－１イオンとなり、△H_ｆも同じ値となることが MO計算結果から示された。
　これらの MO計算によって得られた結果は、Sweeleyらが分析した LCBの N-アセチル-Ｏ-TMS誘導体^３）の M^+・から [M-15]⁺イオンが生成するフラグメンテーションにおいて、１位の水酸基に結合している TMS基からメチルラジカルが脱離する場合と３位の水酸基に結合している TMS基から脱離する場合の 2つの推定イオン構造に対しても適応できると考えられ、TMS基を 2つ以上持つ化合物の EI/MSにおけるフラグメンテーションの予測に広く利用できると考えられた。　

２．ベースピーク m/z 132のイオン構造について
　Fig.4に MOPACのAM1法により計算した m/z132のイオン構造をボールアンドスティックモデルで示した。

Fig.4 structure of m/z 132

　環状構造をとらない m/z 132のイオンの MO計算を行った場合、Fig.4に示す構造が最安定構造であり、△H_ｆは 233 kJ/molとなった。構造上の特徴としては１位の炭素（C₁）の水酸基（酸素, O）に結合しているTMS基のケイ素（Si）から２位の炭素（C₂）に結合している窒素（N）までの 5つの重原子はすべて平面上に位置し、OとNの関係はz-配置となった。また、C₁-C₂-Nの角度は124.2゜、O-C₁-C₂の角度は110.1゜、Si-O-C₁の角度は115.8゜であった。このイオンは LCBのTMS誘導体の EI/MSではベ－スピークとなる最も特徴的なフラグメントイオンであるにもかかわらず、２位と３位の炭素間で開裂して生成する平面のイオン構造（[H₂NCHCH₂OTMS]＋）が示されるだけで３次元的なイオン構造についてはほとんど議論されていない。よって、このイオン構造を示すことは m/z 132のイオンより中性分子の脱離によって生成するイオンを議論できるだけでなく、その他のLCBのフラグメンテーションやフラグメントイオンの解析に利用できるものと考えられる。

Ⅳ．総括

　MO計算により、LCBの TMS誘導体の EI/MSにおいて、分子量の決定に必要な [M-15]⁺、[M-15-90]⁺のイオンが生成するフラグメンテーションについて予測した。その結果、1位の水酸基に結合したTMS基からメチルラジカルが脱離して[M-15]⁺のイオンが生成し、ついで各フラグメントイオンが生成することがわかった。またベースピークとなり、LCBであることの確認に必須で、大切な m/z 132のイオン構造についてもMO計算によって推定した。

謝辞

　CONFLEXプログラムの使用にあたって東北大学反応化学研究所の後藤仁志先生に御教授頂きました。感謝致します。

文　献

1) K.-A.Karlsson, Acta Chem. Scand., 19, 294(1965)
2) R.C.Gaver, C.C.Sweeley, J. Am. Chem. Soc., 88, 3643(1966)
3) K.Krisnangkura, C.C,Sweeley, Chem. Phys. Lipids, 13, 415(1974)
4) T.Matsubara, A.Hayashi, J. Chromatogr., 562, 119(1991)
5) 岸根秀樹，三島芳博，林　陽，油化学，44，977(1995)
6) R.C.Gaver, C.C.Sweeley, J. Am. Oil Chem. Soc., 42, 294(1965)
7) CONFLEX Ver.3.20, JCPE P055 and QCPE #592
8) MM2(77), JCPE P001 and QCPE #395
9) N.L.Allinger, J. Am. Chem. Soc., 99, 8127(1977)
10) MOPAC Ver.6.0 (QCPE No.455)
11) T.Hirano, JCPE Newsletter，１, 36(1989)
12) J.Toyoda, MOPAC Ver.6.02 for OS/2, (NEC PC-9801)
13) 平野恒夫，田辺和俊編，“分子軌道法MOPACガイドブック-2訂版-”，　海文堂 (1994)
14) 中田尚男著，“有機マススペクトロメトリー入門”，講談社 (1981)
15) 渕上高正，分子設計の友「Free Wheel for MS-Windows Ver.0.57D」 (1996), NIFTY-Serve FCHEM Lib 5 　

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