陈浩、潘洋团队Anal. Chem.：质谱捕获和研究电化学产生的咔唑自由基阳离子及其二聚反应机理

注：文末有研究团队简介及本文科研思路分析

电化学反应是发生在带电界面上的化学反应，电化学在当前世界上十分关注的研究领域，如能源、材料、环境保护、生命科学等均有广泛的应用。咔唑及其衍生物的电化学氧化是一种制备二聚吲哚生物碱类药物和多聚咔唑类光电材料的非常有前景的合成方法。然而，由于咔唑分子的平面几何结构特点，电化学产生的咔唑自由基阳离子非常不稳定，很容易通过二聚反应转化成咔唑二聚体，因此咔唑电化学反应中间体的捕获及其二聚反应机理的研究一直面临巨大的挑战。

图1. 原位捕获电极表面电化学反应中间体的质谱分析装置示意图。

为了解决这个难题，美国新泽西理工大学的陈浩教授课题组联合中国科学技术大学潘洋教授课题组集合了原位电化学质谱、纳升电喷雾电离质谱和热解析大气压光电离质谱等多种质谱分析技术。他们首先设计一套以转动的水轮作为工作电极的三电极系统，咔唑溶液（包括咔唑、9-苯基咔唑和9-甲苯基咔唑）作为反应物喷到电极表面瞬时发生电化学反应，同时基于一套液相解析电喷雾电离装置原位捕获在工作电极表面新生成的转瞬即逝的咔唑自由基阳离子（半衰期97 μs）。

图2. 当转动工作电极分别时施加（a）0 V和（b）2 V时，基于咔唑溶液的获取的原位质谱图；（c）咔唑自由基阳离子（m/z 167.0725）的提取离子流强度与工作电极电压的关系。

因为咔唑与芳香胺的结构相似，所以人们一般认为咔唑的二聚反应路径与芳香胺是一样的，即通过两个自由基阳离子之间的耦合生成二聚体。但是，该机理缺乏实验的依据。理论上说，新生成的咔唑自由基阳离子非常不稳定，既可以通过离子-离子反应，也可以通过离子-分子反应产生二聚体，而且，有人发现在9-苯基咔唑的电化学氧化实验中，中性的9-苯基咔唑可以加速二聚反应的反应速率。

图3. 前人认为，在电极表面，咔唑类化合物首先被电化学反应氧化成咔唑自由基阳离子，然后两个自由基阳离子耦合生成二聚体（Route A）；本工作提出新生成的自由基阳离子可能是与咔唑分子通过分子-离子反应产生二聚体（Route B）。

借助T型反应器，实验证明电化学产生的咔唑自由基阳离子与中性的氘代咔唑（咔唑D8）可以通过离子-分子反应耦合生成异质二聚体。通过液相解析电喷雾电离对电池流出物的在线检测以及理论计算可以证明有足够的咔唑自由基阳离子参与T型反应器内离子-分子的二聚反应。为了进一步验证该路径的可靠性，本工作还通过对咔唑化学氧化的定量分析说明自由基阳离子与中性分子之间的离子分子反应是主要的二聚反应路径。

图4. （a）咔唑自由基阳离子与氘代咔唑（咔唑D8）之间离子-分子反应的示意图；（b）和（c）分别表示当溶剂或者咔唑D8通入通道2后，收集得到的纳升电喷雾测试质谱图。

这一成果近期作为supplementary cover发表在Analytical Chemistry 上，文章的第一作者是中国科学技术大学刘成园特任副研究员。

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Capture of Electrochemically Generated Fleeting Carbazole Radical Cations and Elucidation of Carbazole Dimerization Mechanism by Mass Spectrometry

Chengyuan Liu, Qi Wang, Brian E. Hivick, Yongling Ai, Pier Alexandre Champagne, Yang Pan*, Hao Chen*

Anal. Chem., 2020, DOI: 10.1021/acs.analchem.0c01223

陈浩教授介绍

陈浩，新泽西理工大学教授。2005年于普渡大学取得博士学位，2005年-2007年在普渡大学从事博士后研究，师从R. G. Cooks教授。2007年-2018年在美国俄亥俄大学工作，于2018年加入新泽西理工大学。研究领域是电化学质谱分析，目前在相关领域已经以通讯作者在Chem, JACS, Angew. Chem. Int. Ed, Chem. Sci., Anal. Chem.等期刊发表论文120余篇，被引>5000次。

https://centers.njit.edu/chenlab/welcome-chen-research-lab/

潘洋教授介绍

潘洋，中国科学技术大学教授，博士生导师，国家同步辐射实验室质谱线站科学家，中国质谱学会理事（2012-2016）。主要研究方向包括：1）光电离质谱技术；2）非均相催化；3）质谱成像。已主持国家自然科学基金5项，中科院、教育部等其他课题9项；作为课题负责人参与基金委重大研究计划重点和集成项目各1项，科技部重点研发计划2项，在Science，Angew. Chem. Int. Ed, ACS Catal., Int. Rev. Phys. Chem.，Anal. Chem.，J. Chem. Phys.等学术期刊发表论文110篇，获授权发明专利7项。

https://www.x-mol.com/groups/pan_yang

科研思路分析

Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？

A：如上所述，我们的研究兴趣是利用质谱分析技术研究电化学中转瞬即逝的中间体及电化学反应机理。众所周知，咔唑的电化学氧化是制备二聚吲哚生物碱类药物和多聚咔唑类光电材料的一种非常有前景的方法，但是其电化学反应中间体极其不稳定，聚合反应机理不清晰。我们的目标很简单，就是通过原位以及离线的各种定性定量质谱分析技术捕获电化学产生的咔唑自由基阳离子，并研究其接下来的聚合反应。幸运的是，我们课题组在之前的研究工作了积累了研究电化学反应中间体的经验，基于水轮的电化学反应装置可以捕获非常不稳定的咔唑自由基阳离子，结合我们其他的质谱分析技术，可以研究其聚合反应机理，再次证明质谱为电化学反应机理的研究提供一条有效的途径。

Q：研究过程中遇到哪些挑战？

A：本项研究中最大的挑战是如何证明咔唑自由基阳离子与咔唑分子之间的分子-离子反应可以发生而且是生成咔唑二聚体的主要反应路径。在这个过程中，我们团队在在线质谱分析、复杂基质样品定量质谱分析以及反应中间体半衰期计算方面的经验积累起了至关重要的作用。

此外，这项研究属于交叉学科的研究，其中需要理论计算方面的研究支持，而我们的团队主要来源于实验研究背景，因此在理论计算方面存在知识储备不足的挑战，未来希望有相关领域的研究者一起合作将研究推动到更高的层次。

Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助？

A：该工作中对于咔唑自由基阳离子的捕获以及其聚合反应机理的研究可以为利用电化学氧化制备相关药物和光电材料的企业或研究机构更好的控制该电化学反应提供理论技术支持。此外，本工作中使用的原位电化学质谱以及其他的质谱分析技术可以为其他类型电化学反应机理的研究提供借鉴，推动电极表面电化学反应等相关领域的发展。