張 立, 張 菁，郭寅龍

(中國(guó)科學(xué)院 上海有機(jī)化學(xué)研究所, 上海有機(jī)質(zhì)譜中心，上海 200032)

采用質(zhì)譜軟電離與串聯(lián)質(zhì)譜(MS/MS)的聯(lián)用以及反應(yīng)調(diào)控技術(shù)研究復(fù)雜的有機(jī)反應(yīng)體系，可以克服傳統(tǒng)方法以及質(zhì)譜方法自身的缺點(diǎn)與不足，以一種更直接、高效的方法成功捕獲檢測(cè)有機(jī)反應(yīng)活潑中間體[1-2].同時(shí)質(zhì)譜分離出來(lái)的前體離子經(jīng)過(guò)串聯(lián)質(zhì)譜試驗(yàn)后裂解產(chǎn)生碎片離子，伴隨著中性碎片的丟失，可以為離子的穩(wěn)定性、活性以及結(jié)構(gòu)等提供相關(guān)信息.軟電離質(zhì)譜法能夠迅速檢測(cè)離子物種并保持其完整性的能力為研究活潑、穩(wěn)定性不高的化合物提供了可能[3-4], 對(duì)反應(yīng)活性中間體的檢測(cè)、反應(yīng)進(jìn)程的跟蹤以及反應(yīng)機(jī)理的探究都具有很大的幫助[5-6].在捕捉表征有機(jī)反應(yīng)中重要的中間體離子過(guò)程中, 檢測(cè)到的離子的質(zhì)荷比與同位素分布為分析中間體結(jié)構(gòu)和研究機(jī)理提供了寶貴的線索.質(zhì)譜法為有機(jī)反應(yīng)機(jī)理的研究開辟了一條新的路徑, 通過(guò)研究反應(yīng)過(guò)程中關(guān)鍵活潑中間體離子的衍變，可以提供一些其他研究手段無(wú)法提供的重要信息[7].

長(zhǎng)期以來(lái)，離子分子反應(yīng)在有機(jī)質(zhì)譜領(lǐng)域中引人注目, 在推動(dòng)氣相化學(xué)的研究方面發(fā)揮了重要的作用[8-10].將多級(jí)質(zhì)譜過(guò)程中的惰性碰撞氣體更換為具有反應(yīng)活力的中性分子, 在碰撞過(guò)程中該分子就會(huì)與所選擇的離子發(fā)生反應(yīng).分子離子反應(yīng)發(fā)生在氣相無(wú)溶劑的條件下, 研究其機(jī)理和反應(yīng)產(chǎn)物將加深對(duì)有機(jī)化學(xué)的理解.但目前，三重四極桿液質(zhì)聯(lián)用儀進(jìn)行離子分子反應(yīng)研究有機(jī)反應(yīng)活潑中間體時(shí)，由于中性分子是在第二個(gè)四極桿處引入，所以一定是在真空條件下進(jìn)行，從而導(dǎo)致了很多物質(zhì)，如分子量較大和揮發(fā)性較差的物質(zhì)無(wú)法有效引入，給很多活潑中間體的結(jié)構(gòu)和活性研究帶來(lái)了限制.因此有必要研制一種大氣壓條件下的離子分子反應(yīng)裝置，可以在大氣壓條件下進(jìn)行離子產(chǎn)生并進(jìn)行中性反應(yīng)分子的引入，從而拓展離子分子反應(yīng)的分子類型，為一些反應(yīng)活潑中間體的結(jié)構(gòu)和活性判斷奠定基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)更全面高效的有機(jī)反應(yīng)活性中間體的分析.

1 大氣壓條件下離子分子反應(yīng)裝置的設(shè)計(jì)

大氣壓條件下的離子分子反應(yīng)裝置的研發(fā)，是基于一種雙噴霧技術(shù)的反應(yīng)裝置[11]，旨在探索離子源中納米尺寸液滴相互萃取或融合后發(fā)生的有機(jī)反應(yīng)以及相應(yīng)離子及中性氣相分子反應(yīng).

1.1 設(shè)計(jì)思路

設(shè)計(jì)思路如圖1所示：一個(gè)進(jìn)樣器將反應(yīng)溶液以電噴霧的形式引入離子源，氣態(tài)反應(yīng)物質(zhì)由另一個(gè)端口引入離子源，帶電離子與中性分子反應(yīng)，由初級(jí)離子生成二級(jí)離子進(jìn)入檢測(cè)器進(jìn)行檢測(cè).溶液反應(yīng)物質(zhì)可由另一個(gè)噴霧裝置霧化為納米尺寸液滴, 兩種反應(yīng)物被萃取或融合進(jìn)入彼此的納米尺度液滴中，此時(shí)納米尺度的液滴成為反應(yīng)發(fā)生的位點(diǎn)，可發(fā)生類似“納米尺度微反應(yīng)”的反應(yīng).

圖1 大氣壓條件下的離子分子反應(yīng)裝置示意圖

1.2 裝置設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)思路，能夠?qū)崿F(xiàn)該功能的裝置設(shè)計(jì)如圖2所示.

圖2 大氣壓條件下的離子分子反應(yīng)裝置設(shè)計(jì)圖

圖2中，上方加反應(yīng)溶液噴射，下方是液態(tài)反應(yīng)物質(zhì)溶液或氣體引入，那么它們之間的角度β、噴射流和質(zhì)譜進(jìn)口的角度α、噴射口到質(zhì)譜進(jìn)口的距離a和兩噴針針尖之間的距離b以及兩噴針?biāo)与妷憾夹枰ㄟ^(guò)具體的反應(yīng)研究進(jìn)行初步優(yōu)化，以達(dá)到較好的檢測(cè)信號(hào).

1.3 裝置構(gòu)建

如何能夠較為準(zhǔn)確和便捷地實(shí)現(xiàn)上述參數(shù)，經(jīng)過(guò)反復(fù)摸索，我們構(gòu)建了大氣壓條件下離子分子反應(yīng)裝置的反應(yīng)物質(zhì)的引入部分，如圖3所示.

由圖3可以看出，裝置的反應(yīng)物質(zhì)引入手臂主要包括一個(gè)底板及上面可以滿足手臂不同安裝位置的系列螺紋孔，可以與其放置位置相適應(yīng).底盤固定的柱體連接一組十字交叉的金屬棒，其高度可通過(guò)圖3中(1)所示的旋鈕進(jìn)行調(diào)節(jié).(2)所示的旋鈕可用來(lái)調(diào)節(jié)與主體相連接的金屬棒的旋轉(zhuǎn)角度，可調(diào)節(jié)并固定，并有刻度進(jìn)行標(biāo)記.(3)所示的旋鈕是用來(lái)調(diào)節(jié)與其十字交叉的金屬棒的前后位置.(4)所示的旋鈕是用來(lái)調(diào)節(jié)十字交叉中水平金屬棒的距離位置.(5)所示的位置為固定反應(yīng)物引入噴針的角度可調(diào)的連接部分.綜上，我們可以看出，該引入手臂基本可以滿足設(shè)計(jì)中的兩噴針相互夾角β、噴射流和質(zhì)譜進(jìn)口的角度α、噴射口到質(zhì)譜進(jìn)口的距離a和兩噴針針尖之間的距離b等參數(shù)的可調(diào)性，這為大氣壓條件下離子分子反應(yīng)裝置的實(shí)現(xiàn)奠定了硬件基礎(chǔ).

接下來(lái)，將所搭建的反應(yīng)物質(zhì)引入手臂連接至大氣壓條件下離子分子反應(yīng)裝置中，初步完成了裝置的構(gòu)建，如圖4所示.通過(guò)該裝置，將準(zhǔn)備研究的反應(yīng)物質(zhì)分別從離子源原有和引入手臂固定的噴針引入，如圖5所示.兩種反應(yīng)物被萃取或融合進(jìn)入彼此的納米尺度液滴中，此時(shí)納米尺度的液滴成為反應(yīng)發(fā)生的位點(diǎn)，可發(fā)生類似“納米尺度微反應(yīng)”的反應(yīng).

該裝置的設(shè)計(jì)及性能與質(zhì)譜特有的高靈敏度和高特異性相匹配，有望成為研究大氣壓條件下離子分子反應(yīng)有力工具.此外，該裝置使用過(guò)程中存在的液滴融合時(shí)界面效應(yīng)及溶劑蒸發(fā)過(guò)程的冷卻效應(yīng)還可以更好保存高度活潑有機(jī)反應(yīng)中間體，為實(shí)現(xiàn)在線獲得常規(guī)無(wú)法得到的高活性中間體提供了可能，是目前研究大氣壓條件下離子離子反應(yīng)的獨(dú)特手段.

圖4 大氣壓條件下離子分子反應(yīng)裝置的構(gòu)建

圖5 大氣壓條件下離子分子反應(yīng)裝置離子源內(nèi)細(xì)節(jié)

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 研究單苯烯烴的親電氟化反應(yīng)

利用此裝置實(shí)現(xiàn)了自由基捕獲劑(Tempo，DMPO)對(duì)烯烴在Selectfluor作用下產(chǎn)生的各種活性中間體(烯烴自由基陽(yáng)離子、氟代烯烴自由基和由烯烴自由基陽(yáng)離子失去一個(gè)質(zhì)子形成的烯丙基自由基)的捕捉.此法的效果與將自由基捕獲劑直接加入烯烴的親電氟化溶液一致，同時(shí)，它的優(yōu)點(diǎn)是避免了自由基捕獲劑對(duì)待研究反應(yīng)的干擾.

單苯烯烴的親電氟化反應(yīng)可能的反應(yīng)機(jī)理有如下兩種：一種是涉及單電子轉(zhuǎn)移的SET機(jī)理，另一種是SN2機(jī)理，如圖6所示.本課題組在前期的研究過(guò)程中，已初步證明了該反應(yīng)存在單電子轉(zhuǎn)移機(jī)理的存在[12]，因此利用該反應(yīng)進(jìn)行大氣壓條件下離子分子反應(yīng)裝置的應(yīng)用研究.

圖6 烯烴的親電氟化反應(yīng)可能機(jī)理

選擇α-甲基苯乙烯與Selectfluor、Tempo 混合反應(yīng)進(jìn)行試驗(yàn)，從裝置的離子源噴針引入α-甲基苯乙烯與Selectfluor的反應(yīng)溶液，從引入手臂的噴針處引入Tempo溶液，經(jīng)過(guò)引入手臂的反復(fù)調(diào)整以及氣體流量、電壓等參數(shù)的優(yōu)化，獲得圖7所示的質(zhì)譜分析結(jié)果.由圖7可見(jiàn)，檢測(cè)到了較好的烯丙基自由基結(jié)合Tempo生成復(fù)合物m/z 274的質(zhì)譜信號(hào)，信噪比S/N 高于120，分辨率大于1 100 FWHM.

圖7 α-甲基苯乙烯與Selectfluor、Tempo混合反應(yīng)質(zhì)譜結(jié)果

此外，還進(jìn)行了α-甲基苯乙烯與Selectfluor、DMPO混合反應(yīng)的研究.DMPO可以結(jié)合氟代烯烴自由基生成復(fù)合物m/z230，卻不能直接捕獲烯烴的自由基陽(yáng)離子.但是，烯烴的自由基陽(yáng)離子可以先失去一個(gè)質(zhì)子生成烯丙基自由基，然后再結(jié)合DMPO生成復(fù)合物m/z250.

利用大氣壓條件下離子分子反應(yīng)裝置，研究單苯烯烴的親電氟化反應(yīng)，獲得的質(zhì)譜圖如圖8所示.

圖8 α-甲基-苯乙烯與Selectfluor、DMPO反應(yīng)質(zhì)譜圖

為進(jìn)一步確定DMPO復(fù)合物離子m/z250的結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了串聯(lián)質(zhì)譜試驗(yàn)，結(jié)果如圖9所示.由圖9明顯可見(jiàn)，復(fù)合物離子可失去一分子H2O和HF，同時(shí)離子的碎裂均比較符合其結(jié)構(gòu).

通過(guò)上述試驗(yàn)結(jié)果，說(shuō)明利用此裝置，DMPO很適合用來(lái)捕捉氟代烯烴自由基，同時(shí)也能捕獲由烯烴的自由基陽(yáng)離子失去一個(gè)質(zhì)子形成的自由基，從側(cè)面也證明了烯烴自由基陽(yáng)離子的存在.

2.2 吩嗪在ESI-MS中的離子化行為研究

應(yīng)用大氣壓條件下離子分子反應(yīng)裝置，對(duì)吩嗪在ESI-MS中的離子化行為進(jìn)行了研究.并環(huán)芳香族化合物吩嗪因其具有較大的共軛體系，容易發(fā)生單電子氧化生成吩嗪的自由基陽(yáng)離子.而正離子模式的電噴霧離子化過(guò)程中由于電極氧化反應(yīng)的影響，電噴霧過(guò)程中也會(huì)得到待分析物被電極氧化的產(chǎn)物離子信號(hào).基于此現(xiàn)象，我們對(duì)吩嗪在電噴霧過(guò)程中的離子化行為進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)溶劑的介電常數(shù)對(duì)吩嗪的離子化結(jié)果有較大的影響，結(jié)果如圖10所示.結(jié)合串聯(lián)質(zhì)譜和理論計(jì)算，發(fā)現(xiàn)吩嗪在氣相中的質(zhì)子化位點(diǎn)主要在芳香環(huán)上.同時(shí)結(jié)合串聯(lián)質(zhì)譜和MALDI-MS的試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)由于吩嗪的自由基陽(yáng)離子會(huì)傾向于繼續(xù)失去氫原子從而生成去吩嗪的氫陽(yáng)離子，這與吩嗪自由基陽(yáng)離子脫除氫原子的能量變化相一致，如圖11所示.

圖10 吩嗪在甲醇∶二氯甲烷(體積比)不同比例時(shí)的質(zhì)譜圖

圖11 吩嗪自由基陽(yáng)離子脫除氫原子的能量變化示意圖

2.3 吩噁噻自由基陽(yáng)離子的反應(yīng)性質(zhì)研究

運(yùn)用大氣壓條件下離子分子反應(yīng)裝置，進(jìn)行了吩噁噻自由基陽(yáng)離子的反應(yīng)性質(zhì)研究，建立了模型.通過(guò)選擇合適的溶劑和儀器參數(shù)，反應(yīng)原料之一的吩噁噻的自由基陽(yáng)離子可以在電噴霧過(guò)程中在線生成，這樣可以避免復(fù)雜的底物合成過(guò)程.而裝置提供的高靜電場(chǎng)反應(yīng)環(huán)境為吩噁噻自由基陽(yáng)離子同多種化合物反應(yīng)創(chuàng)造了條件：吩噁噻自由基陽(yáng)離子同二氯甲烷以及鹵代苯等在溶液相中并不與之發(fā)生反應(yīng)的化合物在帶電微液滴中發(fā)生了C-H以及C-X(X為鹵素)的插入反應(yīng)，如圖12所示.這些現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)為重新認(rèn)識(shí)吩噁噻自由基陽(yáng)離子的反應(yīng)性質(zhì)提供了契機(jī).同時(shí)該方法中自由基陽(yáng)離子這一特殊形式離子的制備是通過(guò)電噴霧離子源在線生成的，為研究其他自由基式離子參與的化學(xué)反應(yīng)甚至生命活動(dòng)提供了新的研究方法.

雖然該反應(yīng)本課題組應(yīng)用其他方法進(jìn)行過(guò)研究，但利用此裝置，該研究獲得了更好的分析信噪比和信號(hào)靈敏度，操作更為方便并且試驗(yàn)重現(xiàn)性明顯提高，獲得了很好的研究結(jié)果[13].

圖12 吩噁噻同4種化合物反應(yīng)的質(zhì)譜圖

2.4 Au(Ⅰ)催化的環(huán)化反應(yīng)中間體的檢測(cè)

PPh3AuNTf2催化的芳基炔丙基醚環(huán)化反應(yīng)是構(gòu)筑天然產(chǎn)物中2H-苯并吡喃結(jié)構(gòu)單元的一種高效的方法.推測(cè)其反應(yīng)機(jī)理如圖13所示，金催化劑先與底物中的三鍵配位，活化三鍵的同時(shí)，底物中的芳基發(fā)生親核加成，形成σ-金化合物，再經(jīng)過(guò)異構(gòu)化和質(zhì)子解后形成產(chǎn)物.

我們運(yùn)用大氣壓條件下離子分子反應(yīng)裝置，將苯基炔丙基醚1與Ph3PAuNTf2混合溶于二氯甲烷中，引入裝置中的一個(gè)通道，甲醇引入另一個(gè)通道，進(jìn)行質(zhì)譜分析，結(jié)果如圖14所示，譜圖中可以清晰地觀察到與反應(yīng)相關(guān)的主要離子信號(hào)：(PPh3)2Au+(m/z721)、(PPh3)Au+(CH3OH)(m/z491)、(PPh3)Au+(H2O)(m/z477)以及中性中間體3 丟失一個(gè)氫的離子信號(hào)[3-H]+(m/z589).

通過(guò)比較，發(fā)現(xiàn)運(yùn)用此裝置得到的譜圖較為干凈，能夠最大程度上保持反應(yīng)的原始性，并且不會(huì)引入新的雜質(zhì)干擾譜圖的分析.另外，裝置需要調(diào)節(jié)的參數(shù)少，操作簡(jiǎn)便[14].

圖13 金催化的苯基炔丙基醚的環(huán)化異構(gòu)化反應(yīng)可能的催化循環(huán)

圖14 Ph3PAuNTf2催化的苯基炔丙基的環(huán)化反應(yīng)質(zhì)譜圖

3 結(jié)論

經(jīng)過(guò)大氣壓條件下離子分子反應(yīng)裝置的設(shè)計(jì)、搭建和應(yīng)用性研究，實(shí)現(xiàn)了在大氣壓條件下，離子產(chǎn)生并引入中性反應(yīng)分子，拓展了離子分子反應(yīng)的分子類型.通過(guò)該裝置，離子分子反應(yīng)時(shí)間可以精確控制，并實(shí)現(xiàn)有機(jī)反應(yīng)過(guò)程在線研究，還可以與液相色譜聯(lián)用，從而為反應(yīng)活潑中間體的結(jié)構(gòu)和活性判斷奠定試驗(yàn)基礎(chǔ).經(jīng)過(guò)對(duì)裝置的研制開發(fā)，不僅提升了儀器的性能指標(biāo)，而且拓展了儀器的應(yīng)用范圍，可以為有機(jī)反應(yīng)研究工作者提供更全面的有機(jī)反應(yīng)活性中間體分析.

致謝：感謝中國(guó)科學(xué)院儀器設(shè)備功能開發(fā)技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)目(YG2010056)對(duì)本研究工作的支持.