通过离子迁移谱和密度泛函理论区分的氨基甲基膦酸组装体的金属依赖性结构家族

《Chemical Communications》：Metal-dependant structural families of aminomethylphosphonic acid assemblies differentiated by ion mobility mass spectrometry and density functional theory

氨基甲酸磷（AMPA）与二价金属离子的聚集体通过离子迁移质谱、密度泛函理论和红外微脉冲光谱分析，揭示了两种结构家族：四面体结构（Ca2?、Sr2?、Ba2?）和 seesaw结构（Mg2?、Mn2?、Cu2?、Zn2?），其碰撞截面差异证实结构差异源于金属离子半径和配位模式，为气相早期组装结构分类提供新方法。

　　本研究通过离子迁移率-质谱（IM-MS）结合密度泛函理论（DFT）和红外多光子解离（IRMPD）光谱技术，对氨基甲基膦酸（AMPA）与金属离子形成的聚集结构进行了深入分析。研究重点在于揭示不同金属离子与AMPA结合后所形成的二聚体（[M(AMPA)(AMPA-H)]?）在气相中的结构特征，以及这些结构如何影响其在环境和生物系统中的行为。这一分析不仅有助于理解AMPA在环境中的潜在影响，也为材料科学中金属膦酸盐的合成和应用提供了重要的结构信息。

AMPA是草甘膦的主要代谢产物之一，其结构类似于简单的α-氨基酸甘氨酸，但在化学性质上更倾向于形成金属配位结构。由于其在环境中的广泛存在和较长的环境持久性，AMPA与金属离子的相互作用在环境科学和毒理学中具有重要意义。例如，AMPA可能作为废水中的疾病标志物，影响草甘膦的生物转化过程，改变农村水体中的微生物群落，并可能影响葡萄糖代谢。此外，AMPA已被发现存在于接触草甘膦的实验小鼠的大脑组织中，可能与神经退行性病变有关。因此，研究AMPA与金属离子形成的结构，不仅有助于理解其在环境中的行为，也对评估其对生态系统和人类健康的影响至关重要。

在实验中，研究者利用电喷雾电离（ESI）离子迁移率-质谱技术分析了AMPA与多种二价金属离子（包括Mg2?、Ca2?、Sr2?、Ba2?、Mn2?、Cu2?和Zn2?）形成的二聚体。结果显示，这些二聚体在质谱图中具有显著的丰度，其中[M(AMPA)(AMPA-H)]?是主要产物，其相对强度通常超过[M(AMPA-H)]?。这一发现表明，AMPA与金属离子结合后更容易形成稳定的二聚体结构，而非单体。同时，研究还发现，不同金属离子与AMPA形成的二聚体在离子迁移率（IM）平台上的到达时间分布（ATD）表现出不同的特征。对于所有金属，主峰均表现出一致的模式，而次峰则因金属种类不同而存在差异，其中Ba2?的次峰未被观察到，可能是由于其与其他金属在结构上的特殊性。

进一步分析发现，实验测得的碰撞截面（CCS）值与DFT预测的结构最小值高度吻合，从而实现了对[M(AMPA)(AMPA-H)]?二聚体结构的明确归属。这种结构上的区分对于理解AMPA在不同金属条件下的聚集行为具有重要意义。研究发现，Ca2?、Sr2?和Ba2?形成的二聚体具有相似的CCS值，约156 ?2，而Mg2?、Mn2?、Cu2?和Zn2?则形成了另一个较小的CCS范围，约144–153 ?2。这种分组表明，不同金属离子与AMPA形成的二聚体具有不同的几何构型，即前者倾向于形成类似于正方形锥体的结构，而后者则倾向于形成“见山”（seesaw）结构。这种结构差异可能源于金属离子的尺寸、电荷密度以及与AMPA分子之间的相互作用方式。

为了验证这些结构差异，研究者通过DFT计算对[M(AMPA)(AMPA-H)]?的气相结构进行了优化，并采用CREST-CENSO方法对可能的异构体进行了系统搜索。结果显示，所有金属离子与AMPA形成的二聚体都具有一个全局最小结构，其中金属离子通常与去质子化的膦酸氧配位，并处于中心位置，而中性AMPA分子则围绕金属离子进行排列。对于Mg2?、Cu2?、Zn2?和Mn2?，它们的二聚体结构更倾向于“见山”几何构型，而Ca2?、Sr2?和Ba2?则形成正方形锥体结构。这种结构差异可能与金属离子的大小和电荷分布有关，同时也说明了金属离子在AMPA聚集过程中的作用机制。

研究还发现，实验测得的CCS值与DFT预测的结构之间存在一定的偏差，这可能是因为DFT方法在描述非共价相互作用方面存在局限性。例如，对于Ca2?、Sr2?和Ba2?，实验测得的CCS值与预测值之间的差异较大，而Cu2?的CCS值则与预测值之间存在显著的不匹配。这些偏差可能源于DFT计算中未能充分考虑到溶剂化效应或动态构型变化。然而，通过结合IRMPD光谱数据，研究者能够进一步确认某些金属离子形成的二聚体结构，如Cu2?的二聚体被明确归为“见山”结构，而Mg2?和Mn2?的二聚体则表现出高度相似的CCS值，支持其结构一致性的假设。

值得注意的是，尽管金属离子的半径和质量在一定程度上影响了二聚体的形成和稳定性，但它们与AMPA形成的结构差异并非完全由这些因素决定。例如，Mg2?和Mn2?的半径差异较大，但它们的CCS值却非常接近，表明它们的结构可能具有相似的排列方式。同样，Cu2?和Zn2?的CCS值也十分接近，尽管它们的半径和质量有所不同。这说明，除了金属离子的物理特性外，AMPA分子与金属之间的化学相互作用、配位方式以及整体构型的变化，对二聚体的形成和结构稳定性起到了关键作用。

此外，研究者还发现，不同IM平台（如循环IM和旅行波IM）对二聚体的CCS测量结果存在差异，这可能与背景分子的相互作用有关。例如，在循环IM平台上，Cu2?的二聚体表现出额外的峰，可能与金属离子与其他分子的非特异性结合有关。而旅行波IM平台则可能因背景分子的干扰而表现出不同的CCS值。因此，在解释实验数据时，需要考虑不同IM平台的环境因素，以确保结构分析的准确性。

从实验结果来看，IM-MS技术能够有效区分不同金属离子与AMPA形成的二聚体结构，从而为理解AMPA在环境中的聚集行为提供了重要的基础。这一技术的应用不仅有助于揭示AMPA与金属离子之间的相互作用机制，也为未来在材料科学和环境科学中快速筛选和分类金属膦酸盐结构提供了新的思路。通过IM-MS，研究者能够在不依赖晶体结构的情况下，对早期聚集阶段的分子构型进行分类，这对于合成金属膦酸盐材料、评估其环境行为以及研究其生物效应具有重要意义。

综上所述，本研究通过结合实验与理论计算的方法，系统分析了AMPA与多种二价金属离子形成的二聚体结构。研究发现，不同金属离子与AMPA的相互作用导致了两种不同的几何构型：一种是类似于正方形锥体的结构，主要由Ca2?、Sr2?和Ba2?形成；另一种是“见山”结构，主要由Mg2?、Mn2?、Cu2?和Zn2?形成。这些结构差异不仅反映了金属离子的物理特性，也揭示了AMPA在不同金属条件下的聚集行为。研究还表明，IM-MS技术在区分这些结构方面具有高度的灵敏性和准确性，为未来的分子结构分析和材料设计提供了新的工具和方法。