南京大学与南京医科大学联合团队开发微液滴融合质谱新技术揭示电化学合成瞬态中间体反应机制
作者及机构信息
本项研究由南京大学化学化工学院Jing-Juan Xu、Hong-Yuan Chen、Xing-Hua Xia团队与南京医科大学药学院Yun Chen团队共同完成，合作者包括多伦多大学Han Hao博士。研究成果于2021年7月以《Dissecting the Flash Chemistry of Electrogenerated Reactive Intermediates by Microdroplet Fusion Mass Spectrometry》为题发表在《Angewandte Chemie International Edition》（DOI: 10.1002/anie.202106945）。
研究背景与目标
在有机电化学合成领域，短寿命自由基中间体（如阳离子自由基、氮宾离子等）的瞬时化学反应（flash chemistry）机制解析长期面临技术挑战。传统质谱方法因受限于溶液-气相转移延迟（>毫秒级）及混合效率，难以捕获亚微秒级瞬态反应过程。研究团队提出创新解决方案：通过θ型玻璃毛细管（theta-glass capillary）构建双通道微液滴碰撞反应器，结合双极电极（bipolar electrode, BPE）原位生成中间体，实现电化学-质谱联用技术的时空分辨率突破，旨在揭示TEMPO（2,2,6,6-四甲基哌啶氮氧自由基）促进的8-甲基-1,2,3,4-四氢喹啉（8-methyl-THQ）氧化二聚反应机制，以及N,N’-二甲基苯胺（DMA）与吩噻嗪（PTA）交叉偶联中隐藏的氮宾离子（nitrenium ion）反应路径。
研究方法与技术突破
1. θ型毛细管反应器设计与表征
研究团队开发了两种BPE集成方案：
- 非对称式：单通道内壁热解丁烷沉积碳层形成BPE（图S1-S2），用于单一中间体（如TEMPO⁺）生成与反应物（8-methyl-THQ）的微液滴混合。场发射扫描电镜（FE-SEM）证实碳层厚度约200 nm，元素分析显示碳含量>95%。
- 对称式：双通道均修饰BPE（图S3），可同步生成两种活性中间体（如PTA氮宾离子与DMA阳离子自由基）。
2. 微秒级混合时间标定
采用细胞色素c（cyt c）的pH依赖性折叠动力学作为标尺（图S6）：
- 将pH 2.8（含1%乙酸）与pH 7.0（100 mM醋酸铵）溶液分别加载至双通道，通过质谱监测电荷态分布变化（6+至10+为折叠态，>10+为去折叠态）。
- 根据折叠动力学方程（公式1）计算得混合时间7.3±0.7 μs，验证该系统适用于亚10微秒级反应监测。
3. 氧化二聚反应机制解析
- TEMPO⁺生成验证：在BPE通道加载TEMPO溶液，质谱直接检测到m/z 156.1381（TEMPO⁺，Δm=-0.2 mDa）（图3a）。
- 关键中间体捕获：8-methyl-THQ阳离子自由基（m/z 147.1041，Δm=-0.2 mDa）首次被明确检出（图3d），其结构经碰撞诱导解离（CID）碎片验证（图S14）。
- 二聚路径重建：检测到四类二聚产物（图3e）：中性二聚体（4，m/z 293.2011）、自由基二聚体（5，m/z 292.1922）、双电荷二聚体（6，m/z 146.0962）及氧化脱氢产物（7，m/z 291.1858），完整重现了TEMPO⁺介导的单电子转移（SET）-自由基偶联-氧化级联反应（图2）。
4. C-H/N-H交叉偶联新机制发现
- 双中间体同步生成：对称式BPE系统成功捕获PTA氮宾离子（11，m/z 198.0371）与DMA阳离子自由基（13，m/z 121.0885）（图5c-d）。
- 隐藏路径证实：微液滴碰撞反应直接观测到氮宾离子路径产物17（m/z 318.1181，Δm=-0.4 mDa）（图5f），其丰度显著高于传统自由基路径产物16（图S13）。DFT计算显示氮宾离子路径的HOMO轨道系数分布更利于区域选择性C-N键形成（图S21），能垒分析进一步支持其优势（图S22）。
研究结论与意义
科学价值
1. 方法学突破：θ型毛细管-微液滴融合质谱技术将电化学中间体反应监测分辨率提升至微秒级，为超快反应动力学研究提供通用平台。
2. 机制新认知：首次实验证实PTA氮宾离子参与C-H/N-H偶联的竞争路径，修正了Lei课题组提出的单一自由基机制（图4）。
3. 合成化学启示：TEMPO⁺的”氧化-偶联双功能”作用机制为设计高效电化学氧化催化剂提供新思路。
应用潜力
该技术可拓展至光化学/热生成中间体研究，适用于药物合成中间体筛选、材料化学键形成动力学分析等领域。例如，通过调节毛细管尺寸（纳米级可实现 μs混合）可实现反应时间梯度筛选，服务于高通量反应优化。
研究亮点
1. 原创仪器开发：全球首例将BPE与θ型毛细管结合的”飞行中”（on-the-fly）微反应器，成本低廉且易微型化。
2. 多学科融合：整合电化学、微流控、质谱技术与计算化学，建立从中间体捕获到能垒分析的完整研究链条。
3. 颠覆性发现：氮宾离子路径的揭示为芳香胺电化学偶联的区域选择性控制提供了全新调控维度。
其他贡献
研究团队开源了BPE毛细管制备工艺（图S1-S4），并验证了该系统在蛋白质折叠动力学（图S6）、氢氘交换等非电化学体系中的适用性，为后续技术移植奠定基础。