大气压条件下离子分子反应装置的研制

张 立, 张 菁，郭寅龙

(中国科学院 上海有机化学研究所, 上海有机质谱中心，上海 200032)

采用质谱软电离与串联质谱(MS/MS)的联用以及反应调控技术研究复杂的有机反应体系，可以克服传统方法以及质谱方法自身的缺点与不足，以一种更直接、高效的方法成功捕获检测有机反应活泼中间体[1-2].同时质谱分离出来的前体离子经过串联质谱试验后裂解产生碎片离子，伴随着中性碎片的丢失，可以为离子的稳定性、活性以及结构等提供相关信息.软电离质谱法能够迅速检测离子物种并保持其完整性的能力为研究活泼、稳定性不高的化合物提供了可能[3-4], 对反应活性中间体的检测、反应进程的跟踪以及反应机理的探究都具有很大的帮助[5-6].在捕捉表征有机反应中重要的中间体离子过程中, 检测到的离子的质荷比与同位素分布为分析中间体结构和研究机理提供了宝贵的线索.质谱法为有机反应机理的研究开辟了一条新的路径, 通过研究反应过程中关键活泼中间体离子的衍变，可以提供一些其他研究手段无法提供的重要信息[7].

长期以来，离子分子反应在有机质谱领域中引人注目, 在推动气相化学的研究方面发挥了重要的作用[8-10].将多级质谱过程中的惰性碰撞气体更换为具有反应活力的中性分子, 在碰撞过程中该分子就会与所选择的离子发生反应.分子离子反应发生在气相无溶剂的条件下, 研究其机理和反应产物将加深对有机化学的理解.但目前，三重四极杆液质联用仪进行离子分子反应研究有机反应活泼中间体时，由于中性分子是在第二个四极杆处引入，所以一定是在真空条件下进行，从而导致了很多物质，如分子量较大和挥发性较差的物质无法有效引入，给很多活泼中间体的结构和活性研究带来了限制.因此有必要研制一种大气压条件下的离子分子反应装置，可以在大气压条件下进行离子产生并进行中性反应分子的引入，从而拓展离子分子反应的分子类型，为一些反应活泼中间体的结构和活性判断奠定基础，实现更全面高效的有机反应活性中间体的分析.

1 大气压条件下离子分子反应装置的设计

大气压条件下的离子分子反应装置的研发，是基于一种双喷雾技术的反应装置[11]，旨在探索离子源中纳米尺寸液滴相互萃取或融合后发生的有机反应以及相应离子及中性气相分子反应.

1.1 设计思路

设计思路如图1所示：一个进样器将反应溶液以电喷雾的形式引入离子源，气态反应物质由另一个端口引入离子源，带电离子与中性分子反应，由初级离子生成二级离子进入检测器进行检测.溶液反应物质可由另一个喷雾装置雾化为纳米尺寸液滴, 两种反应物被萃取或融合进入彼此的纳米尺度液滴中，此时纳米尺度的液滴成为反应发生的位点，可发生类似“纳米尺度微反应”的反应.

图1 大气压条件下的离子分子反应装置示意图

1.2 装置设计

根据设计思路，能够实现该功能的装置设计如图2所示.

图2 大气压条件下的离子分子反应装置设计图

图2中，上方加反应溶液喷射，下方是液态反应物质溶液或气体引入，那么它们之间的角度β、喷射流和质谱进口的角度α、喷射口到质谱进口的距离a和两喷针针尖之间的距离b以及两喷针所加电压都需要通过具体的反应研究进行初步优化，以达到较好的检测信号.

1.3 装置构建

如何能够较为准确和便捷地实现上述参数，经过反复摸索，我们构建了大气压条件下离子分子反应装置的反应物质的引入部分，如图3所示.

由图3可以看出，装置的反应物质引入手臂主要包括一个底板及上面可以满足手臂不同安装位置的系列螺纹孔，可以与其放置位置相适应.底盘固定的柱体连接一组十字交叉的金属棒，其高度可通过图3中(1)所示的旋钮进行调节.(2)所示的旋钮可用来调节与主体相连接的金属棒的旋转角度，可调节并固定，并有刻度进行标记.(3)所示的旋钮是用来调节与其十字交叉的金属棒的前后位置.(4)所示的旋钮是用来调节十字交叉中水平金属棒的距离位置.(5)所示的位置为固定反应物引入喷针的角度可调的连接部分.综上，我们可以看出，该引入手臂基本可以满足设计中的两喷针相互夹角β、喷射流和质谱进口的角度α、喷射口到质谱进口的距离a和两喷针针尖之间的距离b等参数的可调性，这为大气压条件下离子分子反应装置的实现奠定了硬件基础.

接下来，将所搭建的反应物质引入手臂连接至大气压条件下离子分子反应装置中，初步完成了装置的构建，如图4所示.通过该装置，将准备研究的反应物质分别从离子源原有和引入手臂固定的喷针引入，如图5所示.两种反应物被萃取或融合进入彼此的纳米尺度液滴中，此时纳米尺度的液滴成为反应发生的位点，可发生类似“纳米尺度微反应”的反应.

该装置的设计及性能与质谱特有的高灵敏度和高特异性相匹配，有望成为研究大气压条件下离子分子反应有力工具.此外，该装置使用过程中存在的液滴融合时界面效应及溶剂蒸发过程的冷却效应还可以更好保存高度活泼有机反应中间体，为实现在线获得常规无法得到的高活性中间体提供了可能，是目前研究大气压条件下离子离子反应的独特手段.

图4 大气压条件下离子分子反应装置的构建

图5 大气压条件下离子分子反应装置离子源内细节

2 应用实例

2.1 研究单苯烯烃的亲电氟化反应

利用此装置实现了自由基捕获剂(Tempo，DMPO)对烯烃在Selectfluor作用下产生的各种活性中间体(烯烃自由基阳离子、氟代烯烃自由基和由烯烃自由基阳离子失去一个质子形成的烯丙基自由基)的捕捉.此法的效果与将自由基捕获剂直接加入烯烃的亲电氟化溶液一致，同时，它的优点是避免了自由基捕获剂对待研究反应的干扰.

单苯烯烃的亲电氟化反应可能的反应机理有如下两种：一种是涉及单电子转移的SET机理，另一种是SN2机理，如图6所示.本课题组在前期的研究过程中，已初步证明了该反应存在单电子转移机理的存在[12]，因此利用该反应进行大气压条件下离子分子反应装置的应用研究.

图6 烯烃的亲电氟化反应可能机理

选择α-甲基苯乙烯与Selectfluor、Tempo 混合反应进行试验，从装置的离子源喷针引入α-甲基苯乙烯与Selectfluor的反应溶液，从引入手臂的喷针处引入Tempo溶液，经过引入手臂的反复调整以及气体流量、电压等参数的优化，获得图7所示的质谱分析结果.由图7可见，检测到了较好的烯丙基自由基结合Tempo生成复合物m/z 274的质谱信号，信噪比S/N 高于120，分辨率大于1 100 FWHM.

图7 α-甲基苯乙烯与Selectfluor、Tempo混合反应质谱结果

此外，还进行了α-甲基苯乙烯与Selectfluor、DMPO混合反应的研究.DMPO可以结合氟代烯烃自由基生成复合物m/z230，却不能直接捕获烯烃的自由基阳离子.但是，烯烃的自由基阳离子可以先失去一个质子生成烯丙基自由基，然后再结合DMPO生成复合物m/z250.

利用大气压条件下离子分子反应装置，研究单苯烯烃的亲电氟化反应，获得的质谱图如图8所示.

图8 α-甲基-苯乙烯与Selectfluor、DMPO反应质谱图

为进一步确定DMPO复合物离子m/z250的结构，进行了串联质谱试验，结果如图9所示.由图9明显可见，复合物离子可失去一分子H2O和HF，同时离子的碎裂均比较符合其结构.

通过上述试验结果，说明利用此装置，DMPO很适合用来捕捉氟代烯烃自由基，同时也能捕获由烯烃的自由基阳离子失去一个质子形成的自由基，从侧面也证明了烯烃自由基阳离子的存在.

2.2 吩嗪在ESI-MS中的离子化行为研究

应用大气压条件下离子分子反应装置，对吩嗪在ESI-MS中的离子化行为进行了研究.并环芳香族化合物吩嗪因其具有较大的共轭体系，容易发生单电子氧化生成吩嗪的自由基阳离子.而正离子模式的电喷雾离子化过程中由于电极氧化反应的影响，电喷雾过程中也会得到待分析物被电极氧化的产物离子信号.基于此现象，我们对吩嗪在电喷雾过程中的离子化行为进行了研究，发现溶剂的介电常数对吩嗪的离子化结果有较大的影响，结果如图10所示.结合串联质谱和理论计算，发现吩嗪在气相中的质子化位点主要在芳香环上.同时结合串联质谱和MALDI-MS的试验结果，发现由于吩嗪的自由基阳离子会倾向于继续失去氢原子从而生成去吩嗪的氢阳离子，这与吩嗪自由基阳离子脱除氢原子的能量变化相一致，如图11所示.

图10 吩嗪在甲醇∶二氯甲烷(体积比)不同比例时的质谱图

图11 吩嗪自由基阳离子脱除氢原子的能量变化示意图

2.3 吩噁噻自由基阳离子的反应性质研究

运用大气压条件下离子分子反应装置，进行了吩噁噻自由基阳离子的反应性质研究，建立了模型.通过选择合适的溶剂和仪器参数，反应原料之一的吩噁噻的自由基阳离子可以在电喷雾过程中在线生成，这样可以避免复杂的底物合成过程.而装置提供的高静电场反应环境为吩噁噻自由基阳离子同多种化合物反应创造了条件：吩噁噻自由基阳离子同二氯甲烷以及卤代苯等在溶液相中并不与之发生反应的化合物在带电微液滴中发生了C-H以及C-X(X为卤素)的插入反应，如图12所示.这些现象的发现为重新认识吩噁噻自由基阳离子的反应性质提供了契机.同时该方法中自由基阳离子这一特殊形式离子的制备是通过电喷雾离子源在线生成的，为研究其他自由基式离子参与的化学反应甚至生命活动提供了新的研究方法.

虽然该反应本课题组应用其他方法进行过研究，但利用此装置，该研究获得了更好的分析信噪比和信号灵敏度，操作更为方便并且试验重现性明显提高，获得了很好的研究结果[13].

图12 吩噁噻同4种化合物反应的质谱图

2.4 Au(Ⅰ)催化的环化反应中间体的检测

PPh3AuNTf2催化的芳基炔丙基醚环化反应是构筑天然产物中2H-苯并吡喃结构单元的一种高效的方法.推测其反应机理如图13所示，金催化剂先与底物中的三键配位，活化三键的同时，底物中的芳基发生亲核加成，形成σ-金化合物，再经过异构化和质子解后形成产物.

我们运用大气压条件下离子分子反应装置，将苯基炔丙基醚1与Ph3PAuNTf2混合溶于二氯甲烷中，引入装置中的一个通道，甲醇引入另一个通道，进行质谱分析，结果如图14所示，谱图中可以清晰地观察到与反应相关的主要离子信号：(PPh3)2Au+(m/z721)、(PPh3)Au+(CH3OH)(m/z491)、(PPh3)Au+(H2O)(m/z477)以及中性中间体3 丢失一个氢的离子信号[3-H]+(m/z589).

通过比较，发现运用此装置得到的谱图较为干净，能够最大程度上保持反应的原始性，并且不会引入新的杂质干扰谱图的分析.另外，装置需要调节的参数少，操作简便[14].

图13 金催化的苯基炔丙基醚的环化异构化反应可能的催化循环

图14 Ph3PAuNTf2催化的苯基炔丙基的环化反应质谱图

3 结论

经过大气压条件下离子分子反应装置的设计、搭建和应用性研究，实现了在大气压条件下，离子产生并引入中性反应分子，拓展了离子分子反应的分子类型.通过该装置，离子分子反应时间可以精确控制，并实现有机反应过程在线研究，还可以与液相色谱联用，从而为反应活泼中间体的结构和活性判断奠定试验基础.经过对装置的研制开发，不仅提升了仪器的性能指标，而且拓展了仪器的应用范围，可以为有机反应研究工作者提供更全面的有机反应活性中间体分析.

致谢：感谢中国科学院仪器设备功能开发技术创新项目(YG2010056)对本研究工作的支持.