新型在线激光散射结合电喷雾质谱研究可见光催化有机反应机理

对有机化学反应过程进行实时、准确地监测可以更好地阐释反应机理，为深入理解进而改造化学过程奠定基础。常压质谱（Ambient mass spectrometry, AMS）可在大气压环境下直接采样，具有高分辨率、高灵敏度、高通量、操作简便以及结构鉴定能力强等特点，近年来在有机反应监控研究领域的发展方兴未艾。由于中间体的低产率和不稳定性，以及长时间有机反应过程中短寿命瞬态中间体的有效表征方法缺乏，使得该类反应机理的研究极具挑战。近日，北京大学的白玉团队设计并搭建了在线激光散射结合电喷雾质谱（laser scattering-electrospray ionization mass spectrometry，LS-ESI-MS）装置（图1），为监测长时间的有机反应提供了一种实用的、简便的解决方案。

芳基杂环芳烃结构多样，是一类具有重要的生物活性和应用非常广泛的化合物。可见光介导的C-H键活化直接芳基化杂环芳烃的反应，因其合成条件温和、绿色、可持续，近年来在合成化学领域广受关注。受限于长时间有机反应过程中短寿命瞬态中间体的有效表征方法，自由基阳离子中间体的低产率和不稳定性对检测方法提出了更高挑战，截止该类反应的机理尚缺乏明确证据。LS-ESI-MS的设计核心来自于毛细管表面涂覆的“介质”可以引发管内长距离的光散射现象，使得光催化反应的窗口增大，提高中间体的产率。该方法简便易于操作，将进样毛细管去除涂层后，通过浸渍的方式在其表面涂覆约1 mm的氧化石墨烯（graphene oxide，GO）薄膜，在1 W连续激光光源照射下即可引发光散射现象（长度约6 mm），反应产率的提高使得通常检测不到的瞬态中间体被高分辨质谱检测和鉴定。

图1. 原位激光散射与电喷雾质谱联用装置示意图。图片来源：Anal. Chem.

捕捉和证实反应过程中存在两种可能中间体，即Ru(bpy)₃³⁺和自由基阳离子是探讨光催化杂环芳烃直接C-H芳基化反应机理的关键。利用质谱的直接检测结果和理论的同位素分布即可证实Ru(bpy)₃³⁺的存在。对于自由基阳离子的检测，选择喹啉作为底物与4-甲氧基苯重氮四氟硼酸盐反应，利用LS-ESI-MS装置及通过开关激光光源间歇性引发和终止反应，成功检测到自由基中间体和产物的信号，并结合280,000的超高质谱分辨率对中间体进行了结构鉴定。利用搭建的 LS-ESI-MS 方法首次原位对可见光介导的杂环芳烃直接 C-H 芳基化过程进行监测，并对反应进程中涉及的中间体和产物进行了较为全面的监测，为全面理解整个反应过程提供了确实的实验证据（图2）。为探讨光催化的C-H 芳基化反应过程和相关机理提供了重要的实验支撑，并对该反应机理给出了较为完整的解释。

图2. 基于LS-ESI MS 的中间体检测和机理研究。图片来源：Anal. Chem.

这一成果近期发表在Analytical Chemistry 上，文章的第一作者是北京大学博士研究生艾万鹏。

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In Situ Laser Scattering Electrospray Ionization Mass Spectrometry and Its Application in the Mechanism Study of Photoinduced Direct C-H Arylation of Heteroarenes

Wanpeng Ai, Qirong Yang, Yunpeng Gao, Xiaoyun Liu, Huwei Liu, Yu Bai*

Anal. Chem., 2020, 92, 11967–11972, DOI: 10.1021/acs.analchem.0c02384