于 凱，張銘旺，洪子英，張 洪，姜 杰

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)，海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 威海 264209)

間甲苯胺是苯胺環(huán)烷基取代衍生物，可通過化學(xué)氧化或電化學(xué)氧化生成聚間甲苯胺[1-2]，由于其具有良好的導(dǎo)電性能，常被用作電極改性和傳感器材料[3-5]。目前，間甲苯胺的研究主要集中于聚合物的合成與應(yīng)用，關(guān)于其氧化機理的報道較少。張貴榮等[6]采用原位紫外-可見光譜法分析了間甲苯胺在恒電位下的氧化產(chǎn)物，發(fā)現(xiàn)聚合反應(yīng)的發(fā)生不僅與氧化電壓有關(guān)，還與間甲苯胺的濃度有關(guān)，并且觀察到聚合物含有吩嗪或類似吩嗪的環(huán)結(jié)構(gòu)。Salma等[7]在0.6 V電壓下合成聚間甲苯胺，隨后用紫外-可見光譜法對產(chǎn)物進行表征，在λ=338、460和668 nm處發(fā)現(xiàn)了3個譜帶，分別對應(yīng)還原態(tài)的無色翠綠亞胺、半氧化態(tài)的翠綠亞胺和完全氧化態(tài)的潘尼紅結(jié)構(gòu)。雖然紫外-可見光譜法實現(xiàn)了聚間甲苯胺結(jié)構(gòu)的有效表征，但對于反應(yīng)生成的關(guān)鍵陽離子自由基和中間產(chǎn)物等未能給出數(shù)據(jù)支持，影響間甲苯胺電化學(xué)反應(yīng)機理的分析。

質(zhì)譜具有靈敏度高、選擇性好、分析速度快、可解析結(jié)構(gòu)等特點，是研究化學(xué)反應(yīng)機理的有效手段[8-9]。近年來，采用質(zhì)譜研究電化學(xué)反應(yīng)機理的報道越來越多，尤其是質(zhì)譜在線監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展，實現(xiàn)了電化學(xué)反應(yīng)動態(tài)變化過程和產(chǎn)物信息的有效分析[10-12]。2016年，Shao等[13]通過熱沉積法在雙通道毛細(xì)管的一個通道尖端固定碳粉作為工作電極，在另一個通道插入銀/氯化銀金屬絲作為輔助電極，當(dāng)觸發(fā)毛細(xì)管后方的壓電手槍時，正在進行電化學(xué)反應(yīng)的薄層溶液被電離并進入質(zhì)譜檢測，利用該裝置研究多巴胺和尿酸的電化學(xué)氧化過程和三聯(lián)吡啶釕(Ⅱ)的電化學(xué)發(fā)光機理，發(fā)現(xiàn)生成了多種中間產(chǎn)物。2020年，Xu等[14]將雙極超微毛細(xì)管電極與納米電噴霧-質(zhì)譜法相結(jié)合，用于監(jiān)測瞬時發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)不同物質(zhì)生成的陽離子自由基為分析反應(yīng)機理提供了數(shù)據(jù)支撐。

基于上述裝置工作原理，本研究擬開發(fā)電化學(xué)-微米電噴霧-質(zhì)譜法，使用微米毛細(xì)管作為電化學(xué)電解池，同時作為電噴霧離子源，內(nèi)置2根鉑金絲分別作為工作電極和輔助電極，通過連接自制的電化學(xué)工作站，同時向樣品溶液中施加電化學(xué)反應(yīng)電壓和電噴霧電壓，實現(xiàn)電化學(xué)反應(yīng)的實時、在線質(zhì)譜分析。利用該電化學(xué)-微米電噴霧-質(zhì)譜技術(shù)研究間甲苯胺的電化學(xué)氧化機理，捕捉反應(yīng)生成的自由基陽離子、中間體和聚合物，分析溶液pH值對間甲苯胺電化學(xué)反應(yīng)的影響。

1 實驗部分

1.1 儀器與裝置

LTQ-Velos質(zhì)譜儀：美國Thermo Fisher Scientific公司產(chǎn)品，配有Xcalibur型數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；CHI660E電化學(xué)工作站：上海辰華儀器有限公司產(chǎn)品；P-1000玻璃管拉制儀：美國Sutter Instrument公司產(chǎn)品；實驗室定制的電化學(xué)工作站，可輸出千伏級的高電壓，其電路連接示于附圖1(請登錄《質(zhì)譜學(xué)報》官網(wǎng)www.jcmss.com.cn下載)。

1.2 樣品與試劑

間甲苯胺：色譜純，上海阿拉丁試劑有限公司產(chǎn)品；氯化鉀：分析純，天津市致遠化學(xué)試劑有限公司產(chǎn)品；乙腈：HPLC純，美國Sigma-Aldrich公司產(chǎn)品；醋酸：分析純，煙臺雙雙化工有限公司產(chǎn)品；氨水：分析純，煙臺鐵塔試劑有限公司產(chǎn)品；水：由Milli-Q超純水儀制備。

1.3 質(zhì)譜條件

正離子模式檢測，質(zhì)量掃描范圍m/z50～1 000；金屬毛細(xì)管溫度275 ℃，毛細(xì)管電壓35 V；最大離子注入時間10 ms(全掃描)，管狀透鏡(tube lens)電壓130 V；串聯(lián)質(zhì)譜分析時，碰撞誘導(dǎo)解離電壓25～35 eV。

1.4 電化學(xué)-微米電噴霧離子源

本研究搭建的電化學(xué)-質(zhì)譜裝置示于圖1a，電化學(xué)電解池采用內(nèi)徑1.56 mm，外徑2.00 mm的玻璃管，其一端通過拉制儀制成口徑5 μm的錐形尖端，示于圖1b。電極體系由工作電極和輔助電極組成，其中工作電極為直徑0.3 mm的鉑金絲，輔助電極為直徑0.4 mm的鉑金絲，為避免兩電極在玻璃管內(nèi)部接觸造成電化學(xué)工作站短路，需要將工作電極的中段部分嵌入內(nèi)徑0.5 mm的玻璃點樣管中。實驗開始前，將玻璃管置于三維調(diào)節(jié)平臺，確保玻璃管錐形尖端正對質(zhì)譜入口且距離5 mm。隨后，插入工作電極和輔助電極至玻璃管錐形尖端，使用導(dǎo)線將兩電極與定制的電化學(xué)工作站連接。將30 μL樣品溶液注入玻璃管并確保充滿錐形尖端，通過電化學(xué)工作站分別向工作電極和輔助電極施加(2 000 +ΔE) V和2 000 V的電壓，其中2 000 V是反應(yīng)液形成電噴霧的電離電壓，ΔE是樣品進行電化學(xué)反應(yīng)的電壓。該方法可保證樣品溶液發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的同時產(chǎn)生電噴霧，反應(yīng)產(chǎn)物進入質(zhì)譜完成分析，從而實現(xiàn)整個電化學(xué)反應(yīng)過程的實時、原位監(jiān)測。

圖1 電化學(xué)-微米電噴霧-質(zhì)譜裝置示意圖(a)和微米毛細(xì)管(b)Fig.1 Schematic diagram of electrochemistry-micro electrospray ionization-mass spectrometry device (a) and micro capillary (b)

2 結(jié)果與討論

2.1 pH值對間甲苯胺氧化效率的影響

使用CHI660E電化學(xué)工作站，采用標(biāo)準(zhǔn)三電極體系(工作電極為直徑0.3 mm的鉑盤，輔助電極為鉑金絲，參比電極為銀/氯化銀電極)在10 mL燒杯中研究1.0 mmol/L間甲苯胺溶液(電解質(zhì)為0.1 mmol/L KCl)中(pH≈7，溶劑為乙腈-水溶液(1∶19，V/V))的電化學(xué)循環(huán)伏安圖，示于圖2a。在0～0.4 V范圍內(nèi)，電流在約0.17 V處開始迅速增大，表明間甲苯胺此時開始發(fā)生氧化反應(yīng)。隨后，依次分析了1.0 mmol/L間甲苯胺在pH 4、2、10溶液中的循環(huán)伏安曲線，示于圖2b～2d。這3種溶液均含有0.1 mmol/L KCl，溶劑為乙腈-水溶液(1∶19，V/V)，采用醋酸和氨水調(diào)節(jié)溶液pH。通過對比發(fā)現(xiàn)，在酸性和堿性環(huán)境中，需要施加較高的電壓才能激發(fā)間甲苯胺發(fā)生氧化反應(yīng)，其氧化電壓大小排序為pH 10>pH 2>pH 4>pH 7，而在中性條件下，僅需較低電壓便可實現(xiàn)間甲苯胺的氧化反應(yīng)。另外，為了排除基質(zhì)干擾，分析了不同pH值下醋酸和氨水的循環(huán)伏安圖，示于圖3。可見，氨水和醋酸均未發(fā)現(xiàn)明顯的氧化還原峰，表明在該電壓范圍內(nèi)沒有電化學(xué)響應(yīng)，不會干擾間甲苯胺反應(yīng)的監(jiān)測。

圖2 在pH 7(a)、4(b)、2(c)、10(d)條件下，間甲苯胺的循環(huán)伏安曲線Fig.2 Cyclic voltammograms of m-toluidine at pH 7 (a), 4 (b), 2 (c), 10 (d)

為進一步研究溶液pH值對間甲苯胺電化學(xué)氧化反應(yīng)的影響，基于循環(huán)伏安法獲得的氧化電壓，采用電化學(xué)-微米電噴霧-質(zhì)譜法獲取反應(yīng)時間為7 min時不同pH值下間甲苯胺的氧化產(chǎn)物質(zhì)譜圖，示于圖4。在pH 7的質(zhì)譜圖中，可以發(fā)現(xiàn)從二聚體(m/z211)到五聚體(m/z524)一系列間甲苯胺低聚物(具體分析見2.2節(jié))。當(dāng)溶液為弱酸性，即pH 4時，同樣可以觀察到多種間甲苯胺低聚物，但是相比于pH 7，這些低聚物峰的相對強度明顯較低，表明其生成效率下降，隨著溶液pH值進一步降低，在pH 2的質(zhì)譜圖中幾乎觀察不到低聚物的生成。當(dāng)反應(yīng)在堿性環(huán)境(pH 10)中進行時，所獲得的質(zhì)譜圖中僅有二聚體的峰較明顯，另外，相比于其他3組數(shù)據(jù)，堿性條件下間甲苯胺單體的峰強度最低，表明其在單位時間內(nèi)的消耗量最大，即反應(yīng)速率最快。上述實驗表明，溶液pH值對間甲苯胺電化學(xué)氧化反應(yīng)的影響比較顯著，在中性條件下(pH 7)最適合間甲苯胺長鏈聚合物的生成。

注：a.pH 2;b. pH 10圖3 醋酸(a)和氨水(b)的循環(huán)伏安圖Fig.3 Cyclic voltammograms of acetic acid (a) and ammonium hydroxide (b)

圖4 不同pH值下，間甲苯胺電化學(xué)氧化產(chǎn)物質(zhì)譜圖Fig.4 Mass spectra of m-toluidine electrooxidation products at different pH values

2.2 中性條件下間甲苯胺氧化機理分析

采用電化學(xué)-微米電噴霧-質(zhì)譜裝置實時、在線監(jiān)測間甲苯胺的電化學(xué)氧化反應(yīng)過程，當(dāng)ΔE=0 V，即未輸入氧化電壓時，1.0 mmol/L間甲苯胺(pH≈7，溶質(zhì)為0.1 mmol/L KCl，溶劑為乙腈-水溶液(1∶19，V/V))的質(zhì)譜圖示于圖5a，基峰出現(xiàn)在m/z108處，應(yīng)為間甲苯胺單體得到1個質(zhì)子形成的準(zhǔn)分子離子峰[M+H]+，其他強度較低的離子峰來源于溶液中的雜質(zhì)。當(dāng)ΔE=0.39 V(由0.17 V+0.22 V得到，由于玻璃管中沒有參比電極，在微米電噴霧裝置中的恒電位反應(yīng)電壓需要加上參比電極電勢0.22 V)時，經(jīng)質(zhì)譜實時、在線監(jiān)測，獲得間甲苯胺的電化學(xué)氧化產(chǎn)物質(zhì)譜圖，示于圖5b。與圖5a對比發(fā)現(xiàn)，間甲苯胺產(chǎn)生了一系列新的離子峰，其中m/z107為間甲苯胺失去1個電子形成的陽離子自由基M+·，m/z211是二聚體的碎片離子，其離子流圖示于圖5c，峰強度隨反應(yīng)進行逐漸增強，m/z316為三聚體的碎片離子，其離子峰相對強度最高，m/z419和m/z524分別為四聚體和五聚體的碎片離子。需要指出的是，五聚體的質(zhì)譜信號強度最低，表明隨著鏈增長反應(yīng)的進行，具有較高分子質(zhì)量的聚合物開始析出并沉積到電極表面，無法被質(zhì)譜檢測。自制電化學(xué)工作站記錄的ΔE隨反應(yīng)進行的變化示于圖5d，表明該電化學(xué)工作站能夠穩(wěn)定輸出間甲苯胺電化學(xué)反應(yīng)所需的電壓，在實現(xiàn)間甲苯胺電化學(xué)反應(yīng)的同時，產(chǎn)生反應(yīng)產(chǎn)物的電離噴霧。

圖5 在ΔE=0 V(a)和ΔE=0.39 V(b)反應(yīng)10 min后的間甲苯胺質(zhì)譜圖，m/z 211離子流圖(c)和ΔE隨反應(yīng)時間的變化圖(d)Fig.5 Mass spectra of m-toluidine obtained at ΔE=0 V (a) and ΔE=0.39 V (b) after 10 min, EIC of m/z 211 (c) and recorded value of ΔE as reaction proceeding (d)

進一步觀察圖5b發(fā)現(xiàn)，在任一低聚物離子峰右側(cè)存在多個簇峰，以二聚體為例，有m/z212和213兩個峰，相對強度明顯高于m/z211的同位素峰，示于圖6a，推測這兩種物質(zhì)屬于間甲苯胺的二聚體產(chǎn)物。隨后，采用串聯(lián)質(zhì)譜技術(shù)對m/z211、212和213進行分析，結(jié)果分別示于圖6b～6d?？梢园l(fā)現(xiàn)，3種離子產(chǎn)生了不同的碎裂峰，其中，m/z211僅失去1個甲基，表明已經(jīng)形成更穩(wěn)定的氧化態(tài)共軛結(jié)構(gòu)；m/z212失去1個甲基，形成碎片離子m/z197，它與m/z211失去1個甲基形成的m/z196離子結(jié)構(gòu)不同；m/z213分別失去1個氨基和2個甲基，推測是由2個自由基單體頭尾結(jié)合造成的。有報道[6,15]采用紫外-可見光譜法表征間甲苯胺的電化學(xué)氧化產(chǎn)物，認(rèn)為聚間甲苯胺存在醌環(huán)和苯環(huán)結(jié)構(gòu)，本研究采用電化學(xué)-質(zhì)譜技術(shù)，不僅驗證了此結(jié)論，還發(fā)現(xiàn)了一些細(xì)節(jié)，即m/z213是含有苯環(huán)結(jié)構(gòu)的二聚體的加氫峰，m/z212為二聚體m/z213失去1個電子生成的陽離子自由基，m/z211為m/z213失去2個質(zhì)子形成的含有醌環(huán)結(jié)構(gòu)的二聚體，表明間甲苯胺具有類似苯胺的電化學(xué)聚合反應(yīng)機理，該結(jié)論同樣適用于間甲苯胺的其他低聚物。該結(jié)論也解釋了圖4中pH 10條件下，其生成三聚體的峰強度較pH 7時明顯降低，推測是由于堿性環(huán)境有利于二聚體失去2個質(zhì)子生成具有共軛結(jié)構(gòu)的產(chǎn)物(m/z211)，從而影響后續(xù)長鏈產(chǎn)物的生成。

注：圖a中，紅色為同位素峰的理論峰強度，黑色為實驗獲得的峰強度圖6 間甲苯胺m/z 211理論同位素峰強度與實驗獲得的峰強度m/z 212對比(a)，以及m/z 211(b)，212(c)，213的二級質(zhì)譜圖(d)Fig.6 Relative intensity comparison between the isotopic peak of m/z 211 and the experimentally obtained peak m/z 212 (a), MS2 spectra of m/z 211 (b), 212 (c), 213 (d)

間甲苯胺聚合物的形成過程示于圖7。在0.39 V電壓下，間甲苯胺的電化學(xué)反應(yīng)非常迅速，t=0.5 min時便可觀察到一定強度的二聚體(m/z211、212和213)以及三聚體(m/z316、317和318)的質(zhì)譜峰。隨著反應(yīng)的進行，在3 min時開始出現(xiàn)四聚體(m/z421)，且二聚體、三聚體碎片離子的峰強度隨反應(yīng)時間的增加顯著增強，5 min時可以觀察到間甲苯胺的五聚體(m/z524)，7 min時質(zhì)譜圖的基峰由間甲苯胺單體(m/z108)轉(zhuǎn)換為三聚體(m/z316)。

圖7 間甲苯胺電化學(xué)氧化產(chǎn)物隨時間變化的質(zhì)譜圖Fig.7 Mass spectra of m-toluidine electrochemical oxidation products obtained at different reaction time

基于上述實驗結(jié)果，間甲苯胺可能的電化學(xué)氧化機理示于圖8。首先，間甲苯胺單體m/z108被氧化失去1個電子形成陽離子自由基m/z107，2個自由基結(jié)合形成二聚體m/z213，一部分二聚體發(fā)生分子內(nèi)部的氧化反應(yīng)并失去2個質(zhì)子，形成含有醌環(huán)結(jié)構(gòu)的二聚體m/z211，另一部分繼續(xù)被氧化失去1個電子生成二聚體陽離子自由基m/z212，其可以與單體陽離子自由基耦合形成三聚體m/z318。隨后，該三聚體重復(fù)上述過程形成四聚體，最終生成某一長鏈聚合物并沉積到電極表面。

圖8 間甲苯胺電化學(xué)氧化機理圖Fig.8 Proposed electrooxidation mechanism of m-toluidine

3 結(jié)論

采用電化學(xué)-微米電噴霧-質(zhì)譜技術(shù)實時、在線監(jiān)測了間甲苯胺的電化學(xué)氧化反應(yīng)過程，通過質(zhì)譜檢測到間甲苯胺單體陽離子自由基m/z107以及二聚體、五聚體等低聚物，且發(fā)現(xiàn)同類低聚物存在苯環(huán)和醌環(huán)兩種結(jié)構(gòu)，并推測了間甲苯胺的電化學(xué)氧化反應(yīng)機理。此外，pH值對間甲苯胺的電化學(xué)氧化反應(yīng)具有較大影響，酸性環(huán)境會抑制反應(yīng)速率，反應(yīng)速率隨溶液pH值升高而增大，但在堿性條件下會導(dǎo)致生成大量具有共軛結(jié)構(gòu)的二聚體，阻礙三聚體以上低聚物的產(chǎn)生。