一种受限空间内加速反应的常压质谱在线检测系统及其应用

技术领域

本发明属于分析化学领域，具体涉及一种受限空间内加速反应的常压质谱在线检测系统及其应用。

背景技术

传统的有机合成技术以大体积烧瓶内反应为主，通过高温、高压以及不断开发新型催化剂等方法确保反应的顺利进行，但反应操作条件苛刻且反应时间往往较长，因此在温和的反应条件下对传统的有机合成反应进行加速并对反应机理进行全面深刻的研究受到越来越多的关注。随着常压质谱（AMS）技术的发展，电喷雾产生的微液滴相比体相能够显著加快反应速率，但基于该技术的应用大多集中在反应加速效果的评价、反应产物的快速检测和反应底物的筛选，难以实现液滴内部反应的原位和动态监测以用于加速反应机理的推导。

受限空间能够聚焦各种能量，因此往往表现出杰出的物理化学性质，如显著增强的催化性能、电场、光密度和质谱信号等。简而言之，在受限空间内的反应与体相反应相比，具有独特的反应活性和选择性。因此，受限空间已被广泛应用于蛋白质降解、纳米材料合成和有机合成等领域。然而，针对受限空间的应用目前仍处于探索阶段，其进一步发展主要受以下因素的制约:1）受限空间内反应过程不可控，难以进行反应的优化和深入评价；2）在高效快速的反应过程中，活性自由基、中间体和瞬态催化剂复合物等重要物种的原位捕获、传输和解析仍具有挑战性。3）受限空间内反应的动态监测和机理研究，由于样品体积过小且无法连续进样而受到阻碍。

传统的反应过程评价和监测通常基于光谱学技术，如紫外-可见光吸收光谱法、红外光谱法和核磁共振波谱法，但该类方法均依赖于对反应体系中官能团变化进行间接表征而无法直接获取分子结构和动态变化信息。因此，研发一种在受限空间内加速反应并原位研究加速反应机理的方法成为了亟待解决的问题。

发明内容

针对现有技术中纯的技术空白，本发明提供了一种受限空间内加速反应的常压质谱在线检测系统，该系统利用纳米取样针尖端的受限空间，构建了高效的反应加速体系，与AMS相结合，允许在受限空间中对反应底物进行原位激活的同时利用电喷雾产生的微液滴，对反应过程中的重要物种进行观察和监测，因为能够在对反应进行加速的同时为反应加速机制的研究提供重要信息。

本发明还提供了一种常压质谱在线检测系统在合成化合物中的应用。

本发明为了实现上述目的所采用的技术方案为：

本发明提供了一种受限空间内加速反应的常压质谱在线检测系统，所述系统是由受限空间反应部分及质谱在线检测部分组成；

所述受限空间反应部分是由一个透明的玻璃纳米取样针（1）构成，内部装有反应溶液（5），在玻璃纳米取样针（1）的正上方放置激光光源（3），对反应溶液（5）进行激发活化，通过尾端插入的铜丝（4）施加高压电，尖端置于质谱检测器（2）的进样口附近，样品在高压电作用下形成电喷雾完成样品的进样；

所述质谱在线检测部分：利用电喷雾形成的微液滴，实现受限空间样品的连续进样，与质谱检测器（2）相结合，对反应体系中的重要物种进行离子化，同时进入质谱进行检测。

进一步的，所述玻璃纳米取样针为锥形体，孔口尺寸直径为100-140nm，长度4-7cm。

进一步的，，所述光源为450nm波长的激光光源；所述激光光源和取样针的距离为1cm；所述玻璃纳米取样针（1）的尖端同质谱检测器（2）的进样口的距离为1cm。

进一步的，所述样品浓度30-100mM，喷雾电压为0.8-2.5kV，测试模式为正离子模式。

本发明还提供了一种常压质谱在线检测系统在制备化合物过程中加速反应进行及在线监测中的应用。

本发明的另一目的为提供了一种利用上述的常压质谱在线检测系统合成的化合物，所述化合物的结构式为：

本发明所制备的化合物的制备方法，具体包括以下步骤：

（1）在黑暗中，向吲哚的MeNO

进一步的，步骤（1）中，所述吲哚的MeNO

本发明制备化合物时，具体的反应流程为：

本发明在纳米取样针的受限空间内，玻璃管内表面丰富的硅羟基（Si-OH）电离之后得到带负电的Si-O

本发明的有益效果为：本发明针对现有有机合成体相反应速率较慢以及微滴加速反应原位研究技术领域的空缺，提供了一种受限空间内加速反应并进行机理研究的新方法。该方法不仅可以实现温和条件下的反应加速还可以实现受限空间内反应条件的优化，原位捕捉反应过程中活性自由基、中间体和瞬态催化剂复合物等重要物种并对其动力学变化进行监测，为限域效应对反应加速机理的研究提供支持。

附图说明

图1为实施例1受限空间反应部分及质谱在线检测部分组成的检测系统。

图2为玻璃纳米取样针的扫描电镜图。

图3为受限空间反应部分及质谱在线检测部分组成的检测系统样品图。

图4为纳米取样针中受限空间对反应的加速效果图。

图5为纳米取样针孔口尺寸和反应溶液体积优化图。

图6为纳米取样针内受限空间加速反应机理研究图。

图7为质谱在线监测反应动力学变化图。

具体实施方式

下面通过具体的实施例对本发明的技术方案作进一步的解释和说明。

下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

1、材料与试剂

硝基甲烷及其他试剂均购于Sigma-Aldrich公司（美国）产品，纯度要求为BR或者AR。

实验过程所用水均为超纯水，经Milli-Q超纯水净化系统处理而成。所用高纯氩气购于北京千禧京城气体销售中心。

下述实施例中所用的仪器有LTQ线性离子阱质谱仪（Thermo Fisher Scientific，美国）

0. 86-1.5*150mm玻璃毛细管购于Sutter Instrument公司，通过该公司MODEL P-1000拉针仪制成孔口尺寸为100-140nm的纳米取样针。

初始参数:Ramp=560℃, Heat=550℃, Pull=100, Velocity=10, Time=250,Pressure=500，调节Heat值改变纳米取样针的孔口尺寸。

整个实验过程中，喷雾电压为手工调整，真空接口温度100℃恒定，其余试验参数由软件自动优化决定。

实施例1

受限空间反应部分是由一个透明的玻璃纳米取样针1构成，内部装有反应溶液5，在玻璃纳米取样针1的正上方1cm处放置激光光源3，对反应溶液5进行激发活化，通过尾端插入的铜丝4施加高压电，尖端置于质谱检测器2的进样口附近，样品在高压电作用下形成电喷雾完成样品的进样；

所述质谱在线检测部分：利用电喷雾形成的微液滴，实现受限空间样品的连续进样，与质谱检测器2相结合，对反应体系中的重要物种进行离子化，同时进入质谱进行检测；

以Ru(bpz)

（1）溶液配制：样品浓度100mM，喷雾电压2kv，测试模式为正离子模式；

所述系统是由受限空间反应部分及质谱在线检测部分组成，如图1和图3所示；

所述受限空间反应部分由一个玻璃纳米取样针构成，通过移液枪添加反应溶液至内部，尾端插入Cu电极连接高压电，孔口尺寸为140nm的尖端置于质谱进样口附近，其尺寸通过扫描电镜拍摄获得（图2）。光源（450nm激光）垂直放置于纳米取样针上方1cm处，对反应溶液进行辐照，在反应完成或进行过程中，通过施加2kV高压电使得反应溶液形成喷雾，进入质谱口；

具体过程为：

（a）在黑暗中，制备亲二烯体吲哚的MeNO

（b）通过移液枪移取0.8μL反应溶液并添加与纳米取样针中，在450nm波长辐照下反应20秒后，得到反应的产物，并通过质谱进行检测和确认。

（2）受限空间加速反应可行性验证

为了验证纳米取样针中受限空间对反应的加速效果，进行了一系列对比实验。如图4所示，在光照射20 s后，在无催化剂或可见光的情况下，只在m/z 118处观察到显著的反应物离子(图4-i和ii)，上述IEDDA反应不能进行。与此同时，在大体积烧瓶中进行该反应，几乎看不到产物的质谱峰(图4-iii)，表明该反应在体相中反应效率很低。当在纳米管中进行该反应时，催化剂和可见光的共同作用，使得反应物几乎耗尽，没有观察到明显的反应物离子 (m/z 118)(图4-iv)。值得注意的是，主离子峰在m/z184处，同时还发现了离子丰度较低的m/z186离子峰。根据碰撞诱导解离(CID)实验推断，确定m/z186处的离子属于质子化的[4+2]环加成产物离子。m/z 184处的离子经CID实验确定为上述环加成中间产物脱氢获得。这一结果表明，IEDDA反应在正常的本体体系中是被禁止的，而在催化剂和光照存在的受限空间中，该反应经历快速的[4+2]环加成，然后分子内脱氢得到最终产物，反应效率较高。

此外，为了排除电喷雾产生的微滴对反应的加速作用，采用在线电喷雾质谱法对微滴反应体系进行了检测。从图4-v可以看出，反应效率很低，反应物吲哚的主离子峰在m/z118处。在m/z184的产物离子和在m/z186的环加成中间体离子都很低。因此，该反应的加速效果主要由受限空间引起。

同样地，上述实验还验证了该基于原位纳米取样针的电喷雾质谱技术对短寿命中间体的捕获和解析。如图所示，在m/z117(图4-v)和m/ z185(图4-iv和v)也观察到其他显著的阳离子自由基。在m/z117处的离子属于吲哚阳离子自由基。在m/z185处的离子同样是自由基阳离子中间体。该中间体的进一步氧化或还原分别得到目标产物（m/z184）或环加成中间体（m/z186）。上述产物和中间体的生成过程是相互竞争的，因此可以通过计算m/z 184和m/z 186处的离子比(

（3）反应条件优化

为了获得更好的反应效率，基于m/z 184和m/z 186处的离子比(

（4）受限空间加速机理研究

为了研究受限空间对反应的加速机理，对Ru(II)相关配合物离子进行研究。m/z288和576离子，分别对应于Ru(II)(bpz)

通过使用二氯二甲基硅烷对玻璃纳米取样针内表面的Si-OH硅烷化之后，与体相反应相同，体系中均无上述m/z 346和380的离子峰（图6b-c），表明纳米取样针内表面的Si-OH促进了催化剂与反应物和中间体的配合物的形成，其形成过程如图6d所示。

随后通过理论计算对上述结论进行了验证。如图6e所示，对m/z346配合物的结构进行计算发现，该配合物的形成有利于反应物吲哚自由基阳离子的生成，而该自由基阳离子与另一反应物异戊二烯之间的HOMO-LUMO轨道能量差远小于吲哚与异戊二烯之间的HOMO-LUMO轨道能量差（图6f），因此能够在温和的反应条件下显著地加快反应速率。

（5）受限空间反应过程的在线监测

通过基于原位纳米取样针的电喷雾质谱技术对上述反应过程进行在线监测。在2kV高压作用下，反应溶液形成电喷雾，并在库伦爆炸作用下离子化反应体系中的重要物种，随后进入质谱监测。如图7所示，反应物的离子（m/z118）信号强度随着反应进行逐渐降低（图7a）,而产物的离子（m/z184）信号强度随着反应的进行逐渐升高（图7e），表明该反应在受限空间内的顺利进行。吲哚阳离子中间体m/z117信号在光照之后迅速升高，并在0.8分钟达到最高，随后逐渐被消耗，导致其离子信号逐渐降低（图7b）。同样地，自由基阳离子中间体m/z185随着自由基阳离子中间体m/z117的累积，其信号逐渐升高并于1min达到最高，随即被消耗并伴随着[4+2]环化中间体离子（m/z186）的缓慢增强（图7c-d）。随着反应的进行，m/z186环化中间体发生分子内脱氢反应，在1.5min后其离子信号缓慢下降。上述实验结果表明m/z117、185和186均为该反应的中间体，并最终被转化为目标产物（m/z184）。

结果：

基于玻璃纳米取样针构建了受限空间加速反应系统，并结合常压质谱对反应加速效果进行了验证。通过调整取样针的孔口尺寸和反应溶液体积，对受限空间内的反应进行了优化。通过使用硅烷化的纳米取样针，对该反应的加速机理进行了验证。此外，基于该纳米取样针的电喷雾质谱技术对反应过程中活性自由基、中间体和瞬态催化剂复合物等重要物种进行了原位捕获及结构验证，并对反应过程中的瞬态中间体的动态变化进行了在线监测，从而对反应机理进行推导。该技术不仅能够对在体相中难以进行的反应在温和的反应条件下进行加速，还能对受限空间内的反应机理进行研究，提供了一种快速、高效、绿色、可控的反应加速及机理研究技术。