综述：五氟苄基三甲基硅烷衍生物通过四极杆气相色谱-负离子化学电离-串联质谱分析类二十烷酸：命名Murphy重排反应

本综述系统阐述了以五氟苄基三甲基硅烷（PFB-TMS）衍生物形式，通过气相色谱-负离子化学电离-串联质谱（GC-NICI-MS/MS）技术分析类二十烷酸的方法学突破。重点介绍了Robert C. Murphy团队首次发现的碰撞诱导解离（CID）过程中特异的TMS醚到酯的分子内重排反应，提议将其命名为"Murphy重排反应"。文章深入探讨了该反应在前列腺素（PGs）、白三烯（LTs）等类二十烷酸定量分析中的机制与应用，并扩展定义了"Murphy型重排反应"在不同生物活性分子中的表现，为质谱法研究气相反应机制提供了重要理论依据和实践指导。

　　

1. 引言

1.1. 类二十烷酸的GC-NICI-MS和GC-NICI-MS/MS分析

类二十烷酸是由花生四烯酸（arachidonic acid）衍生的重要生物活性介质家族，包括前列腺素（PGs）、白三烯（LTs）和内源性大麻素（ECs）。基于气相色谱-串联质谱（GC-MS/MS）的方法已成为生物样品中类二十烷酸定量分析的"金标准"。分析物经过提取和衍生化后，以五氟苄基（PFB）酯三甲基硅烷（TMS）醚衍生物（即PFB-TMS）形式在四极杆GC-MS/MS仪器上进行检测。

负离子化学电离（NICI）在离子源中产生丰富的[M-PFB]^-阴离子。在碰撞池中，[M-PFB]^-经过碰撞诱导解离（CID）产生适用于选择反应监测（SRM）模式的特定定量分析产物离子。半胱氨酰白三烯如LTE₄需要经过催化氢化和脱硫处理转化为5-羟基二十烷酸（5-HEA），而含酮基的类二十烷酸还需进行甲肟化处理形成PFB-MO-TMS衍生物。

衍生化过程分为两步：首先使用五氟苄基溴（PFB-Br）在有机碱催化下将羧基转化为PFB酯衍生物，随后使用双(三甲基硅烷基)三氟乙酰胺（BSTFA）进行硅烷化处理形成PFB-TMS衍生物。定量分析采用选择离子监测（SIM）模式监测[M-PFB]^-离子，更高特异性的分析则通过GC-NICI-MS/MS的SRM模式实现。

1.2. 质谱中的重排反应

McLafferty在其1959年的开创性论文中指出："质谱分析中分子结构明确指认的最大缺点可能是离子形成过程中发生的分子重排——即质谱中发现的离子碎片无法通过分子键的简单断裂形成。"根据IUPAC命名法，McLafferty重排涉及氢原子通过六元环过渡态转移到自由基/电荷位点，随后电子密度重排导致烯烃分子 expulsion。

质谱中的重排现象通常与三甲基硅烷基团在不同分子中的迁移相关，特别是在电子电离（EI）过程中。在质谱仪的离子源中，气态分析物如5-HEA的PFB-TMS衍生物通过甲烷等试剂气体进行电离，形成的离子经过四极杆Q1选择后进入碰撞池Q2进行CID过程。

2. 提议命名Murphy重排反应

1993年，Murphy团队首次报道并解释了5-脂氧合酶代谢物PFB-TMS衍生物[M-PFB]^-羧酸根离子的特异性CID反应。通过使用羧基-¹⁸O标记的类二十烷酸，研究证实了5-HEA中的观察结果，并在其他类二十烷酸包括F₂-前列腺素及其去甲和二氢代谢物中发现了类似的CID反应。

Murphy重排反应的具体机制为：5-HEA的PFB-TMS衍生物经过NICI产生m/z 399的[M-PFB]^-阴离子，在碰撞池中CID迫使Murphy重排发生——羧酸根离子的带负电荷氧原子攻击C-5上TMSO醚的硅原子，形成羧酸TMSO酯并释放C-5上的C-O醇盐阴离子，同时C-3/C-4键断裂。这一过程形成高度特征性的m/z 253阴离子和中性损失的丙酸TMS酯（分子量146 Da）。

该重排反应需要PFB等酯的羧酸根阴离子以及C-5上醚化羟基的位置，以形成结构有利的中间体和过渡态。花生四烯酸5-脂氧合酶途径形成的5-羟基脂肪酸中，羧基（C-1）与羟基（C-5）之间的距离对于Murphy重排反应似乎是"理想的"。

值得注意的是，此类重排未在离子源中通过PFB-TMS衍生物的NICI观察到。Murphy重排似乎特异性发生于氢化和脱硫LTE₄来源的5-HEA的PFB-TMS衍生物NICI产生的m/z 399 [M-PFB]^-前体离子的CID过程。

3. 提议命名Murphy型重排反应

3.1. 8-isoPGF_2α及其去甲代谢物

在8-isoPGF_2α、[3,3,4,4-²H₄]-8-isoPGF_2α、[1,1-¹⁸O₂]-8-isoPGF_2α及其去甲代谢物的PFB-TMS衍生物中观察到CAD诱导的分子内TMS醚到酯的转移。这些类二十烷酸在C-5上没有羟基，不会形成m/z 253的产物离子。然而，[1,1-¹⁸O₂]-8-isoPGF_2α的PFB-TMS衍生物[M-PFB]^-的CID产生了m/z 91的[TMS¹⁸O]^-阴离子，这强有力地证明了分子内TMS醚到酯的重排。

Murphy重排与Murphy型重排的主要区别在于羧基与TMSO基团的距离不同——5-HEA中为C-5，而8-isoPGF_2α中为C-9、C-11和C-15。建议将8-isoPGF_2α和15-F_2t-IsoP系列异构体的PFB-TMS衍生物的CID命名为Murphy型重排。

3.2. F和E前列腺素的主要尿代谢物

初级类二十烷酸经过广泛的还原和氧化代谢。连续的β-氧化和ω-氧化最终形成二羧酸。F-前列腺素的主要尿代谢物（MUM）是PGF-MUM；E-前列腺素的主要尿代谢物是PGE-MUM。这些代谓词通过GC-NICI-MS/MS作为PFB-甲肟-TMS衍生物（PFB-MO-TMS）在生物样品中进行定量。

这些前体离子的CID行为与5-HEA和8-isoPGF_2α的单PFB酯有显著不同。m/z 682和m/z 637最特征和最强烈的产物离子分别是m/z 484和m/z 341，各自由于[M-PFB-PFBOH]^-。建议将这些CID反应命名为Murphy型重排。

3.3. 乙酰水杨酸

乙酰水杨酸作为PFB酯衍生物（分子量360）通过GC-NICI-MS/MS进行分析。未标记乙酰水杨酸的m/z 179 [M-PFB]^-离子和O-乙酰基氘代乙酰水杨酸的m/z 182的CID产生了几个产物离子，包括未标记的乙酸和三氘代乙酸，各占较低程度的10%。乙酸盐的形成可以通过[M-PFB]^-的羧酸根基团对邻位O-乙酰基的C原子的分子内攻击来解释。m/z 179离子的CID是一种Murphy型重排。

3.4. 9,10-二羟基十八烷酸

9,10-二羟基十八烷酸（DiHODA）是天然环氧化物顺式-9,10-环氧十八烷酸的水解产物。DiHODA的PFB-(TMS)₂衍生物的GC-NICI-MS谱中最强烈的离子是m/z 459的[M-PFB]^-。m/z 459的CID产生了最强烈的m/z 369产物离子，形式上通过中性丢失TMSOH。m/z 353的形成可能涉及Murphy型重排，即TMS基团从C-9上的TMSO部分转移到羧酸根氧原子形成-COO-TMS，同时形成m/z 369的9,10-环氧化物碳负离子。

4. 讨论

4.1. PFB-TMS衍生物[M-PFB]^-离子CID碎裂的机制方面

羟基类二十烷酸（包括白三烯和前列腺素）的PFB-TMS衍生物的[M-PFB]^-前体离子的特征性GC-NICI-MS/MS产物离子是由于中性丢失三甲基硅醇（TMSOH，90 Da）基团而产生的离子。从电子角度来看，从CH基团（如CH-CH-OTMS）丢失TMSO基团对应于携带TMSO基团的C原子从氧化数±0到-1的1电子还原。从相邻CH₂或CH基团丢失一个H原子对应于相邻C原子从氧化数-3到-2的1电子氧化。因此，CID中性丢失/消除TMSOH基团和伴随的C=C键形成是1电子分子内氧化还原反应。

4.2. [3,3,4,4-²H₄]-8-isoPGF_2α和[1,1-¹⁸O₂]-8-isoPGF_2α的PFB-TMS衍生物[M-PFB]^-离子CID碎裂的机制方面

将m/z 569、573和573的[M-PFB]^-前体离子进行CID导致产生多个产物离子。从[1,1-¹⁸O₂]-8-isoPGF_2α的m/z 573形成相差2-Da的产物离子对表明从羧基丢失一个¹⁸O原子作为TMS¹⁸OH（92 Da）。这些观察结果表明CID将一个TMS基团从C-9、C-11或C-15转移到¹⁸O标记的羧酸根氧原子。

4.3. 去甲[1,1-¹⁸O₂]-8-isoPGF_2α的PFB-TMS衍生物[M-PFB]^-离子CID碎裂的机制方面

这些代谢物的PFB-(TMS)₃衍生物的GC-NICI-MS和GC-NICI-MS/MS质谱与8-isoPGF_2α的对应谱图相符。[1,1-¹⁸O₂]-ent-2,3-去甲-5,6-二氢-8-isoPGF_2α最强烈的产物离子是m/z 277 [P-3×TMS¹⁶OH]^-和m/z 275 [P-2×TMS¹⁶OH-1×TMS¹⁸OH]^-。它们的强度比值约为1:2，与[1,1-¹⁸O₂]-8-isoPGF_2α的比值相近。

5. 结论

类二十烷酸是由花生四烯酸衍生的大量内源性分子家族，通过酶催化和自由基诱导的过氧化反应形成，以及它们的酶催化氧化、还原和结合反应的代谢物。PFB-TMS羟基化花生四烯酸和PFB-MO-TMS前列腺素衍生物的NICI产生的羧酸根离子[M-PFB]^-的CID在GC-NICI-MS/MS中产生适用于可靠定量分析的产物离子。在定量GC-NICI-MS/MS中，用²H（在骨架上）或¹⁸O在羧基中标记的类二十烷酸作为内标是不可或缺的。在机制研究中，使用¹⁸O₂标记的类二十烷酸为CID反应的机制提供了深入的见解。

5-脂氧合酶衍生的类二十烷酸（包括来自催化氢化半胱氨酰白三烯的5-HEA和LTB₄）的PFB-TMS衍生物的NICI形成的[M-PFB]^-的CID经历高度特异性的重排和丰富的m/z 253和m/z 341产物离子的形成，这是由于中性丢失146，由Robert C. Murphy首次报道、描述和解释。本文建议将这种特定的CID、负电荷驱动的TMS基团从硫醚部分转移到PFB-TMS衍生物的羧酸根阴离子命名为Murphy重排反应。NICI中类似的CID过程建议命名为Murphy型重排反应。它们包括初级类二十烷酸（如F₂-前列腺素，包括PGF_2α和8-isoPGF_2α）以及E和F前列腺素的主要尿代谢物的PFB-(MO)-TMS衍生物的CID。Murphy型重排反应也在药物中观察到，如乙酰水杨酸的PFB酯，其CID产生m/z 59（即乙酸盐）作为重排离子。

Murphy重排反应和Murphy型重排反应的最佳实验证据通过使用[1,1-¹⁸O₂]-和[1,ω-¹⁸O₂]-类二十烷酸并证明形成m/z 91的[TMS¹⁸O]^-产物离子、92 Da的TMS¹⁸OH中性丢失和二羧酸类二十烷酸中200 Da的PFB¹⁸OH中性丢失来提供。使用高分辨率MS技术应有助于验证Murphy重排反应和Murphy型重排反应，正如McLafferty重排反应所证明的那样。