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摘 要： 論文摘要：中性自由基反應(yīng)中間體不易被ESI-MS檢測(cè),Metzger等[38]曾利用微反應(yīng)器-電噴霧質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)捕獲到了單電子轉(zhuǎn)移引發(fā)的反式茴香腦二聚反應(yīng)中的自由基陽(yáng)離子中間體.在一些自由基反應(yīng)中,一般需Lewis酸進(jìn)行催化,同時(shí)金屬Lewis酸可與底物或自由基中間體形
論文摘要：中性自由基反應(yīng)中間體不易被ESI-MS檢測(cè),Metzger等[38]曾利用微反應(yīng)器-電噴霧質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)捕獲到了單電子轉(zhuǎn)移引發(fā)的反式茴香腦二聚反應(yīng)中的自由基陽(yáng)離子中間體.在一些自由基反應(yīng)中,一般需Lewis酸進(jìn)行催化,同時(shí)金屬Lewis酸可與底物或自由基中間體形成復(fù)合物,被質(zhì)譜檢測(cè).
1電荷標(biāo)記手段
多數(shù)情況下,反應(yīng)中間體是中性物種,含量較低而且難于離子化,有時(shí)離子化過(guò)程會(huì)破壞其結(jié)構(gòu)和活性.為解決這一難題,可以采用電荷標(biāo)記手段.電荷標(biāo)記可以分為永久標(biāo)記和在線(xiàn)電荷標(biāo)記.永久標(biāo)記是通過(guò)化學(xué)反應(yīng)在底物或催化劑的非活性區(qū)域上引入電荷標(biāo)簽(如季銨陽(yáng)離子中心或磺酸陰離子中心);在線(xiàn)標(biāo)記是利用中間體的特性臨時(shí)加入選擇性離子化試劑,實(shí)現(xiàn)中性物種的檢測(cè),如堿金屬離子化.電荷標(biāo)簽技術(shù)不影響反應(yīng)的正常進(jìn)行,同時(shí)能大大提高微量中性活潑中間體的質(zhì)譜檢測(cè)效率.Metzger等[16]用電荷標(biāo)記的膦配體,首次運(yùn)用質(zhì)譜方法從反應(yīng)溶液中檢測(cè)到了亞甲基Ru卡賓中間體.隨后,Metzger等[17]運(yùn)用堿金屬離子與催化劑形成加合離子來(lái)追蹤溶液中釕卡賓物種的變化,成功檢測(cè)到了1,7-辛二烯和1,9-癸二烯的關(guān)環(huán)復(fù)分解(ring-closingmetathesis,RCM)反應(yīng)中含有末端雙鍵的釕卡賓中間體.該兩個(gè)中間體在氣相中首先脫除膦配體(PCy3)而后再發(fā)生氣相RCM反應(yīng)分別丟失環(huán)己烯和環(huán)辛烯(圖2).該研究還表明,氣相條件下六元環(huán)化RCM反應(yīng)的活性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于八元環(huán)化,與液相中RCM反應(yīng)活性順序一致.催化反應(yīng)中典型的活性反應(yīng)中間體應(yīng)體現(xiàn)該催化反應(yīng)的趨勢(shì)性,即該活性中間體在串聯(lián)質(zhì)譜過(guò)程中所發(fā)生的單分子反應(yīng)或其在氣相離子-分子反應(yīng)中體現(xiàn)該中間體離子特有的反應(yīng)活性.質(zhì)譜學(xué)研究活潑中間體可以有三點(diǎn)依據(jù):離子質(zhì)荷比、離子同位素豐度和中間體離子的特征氣相反應(yīng)活性.近期,本課題組[18,19]運(yùn)用堿金屬離子化策略和微反應(yīng)器技術(shù)研究了氮雜釕卡賓催化劑,以及乙腈促進(jìn)的Grubbs催化劑的降解反應(yīng).同時(shí),本課題組[20]發(fā)現(xiàn),采用硫作為基質(zhì),可以用MALDI-TOFMS技術(shù)表征Grubbs催化劑.
2準(zhǔn)對(duì)映體策略
質(zhì)量標(biāo)簽策略是質(zhì)譜學(xué)研究氣相反應(yīng)途徑和機(jī)理的傳統(tǒng)手段,也是質(zhì)譜學(xué)表征和研究反應(yīng)中間體的常用手段.手性異構(gòu)體化合物的分子量相同,因此直接質(zhì)譜分析難以區(qū)分.Pfaltz課題組[21]將傳統(tǒng)的質(zhì)量標(biāo)簽策略發(fā)展成準(zhǔn)對(duì)映體(quasienantiomers,QAS)標(biāo)記策略,在遠(yuǎn)離反應(yīng)位點(diǎn)的地方用同位素標(biāo)記或差異較小的取代基標(biāo)記手性異構(gòu)體.準(zhǔn)對(duì)映體標(biāo)記讓原本分子量相同的手性異構(gòu)體有了質(zhì)量差異,可在質(zhì)譜分析中直接進(jìn)行辨別,也可實(shí)現(xiàn)手性催化劑的篩選和反應(yīng)立體選擇性的評(píng)價(jià)[22].此外,該課題組[23]通過(guò)ESI-MS方法檢測(cè)烯丙基酯動(dòng)力學(xué)拆分反應(yīng)中的活性中間體,而不是前體或產(chǎn)物的新方法來(lái)篩選不對(duì)稱(chēng)催化劑.這些技術(shù)和方法使得質(zhì)譜學(xué)為不對(duì)稱(chēng)催化系統(tǒng)的對(duì)映選擇性研究提供了關(guān)鍵的證據(jù),甚至實(shí)現(xiàn)了手性催化劑的篩選.
3質(zhì)譜分析有機(jī)反應(yīng)中間體的典型案例
Metzger[24]、Eberlin[25]和本課題組[26]均發(fā)表過(guò)關(guān)于質(zhì)譜學(xué)研究反應(yīng)機(jī)理的綜述,本文主要對(duì)最新研究進(jìn)展進(jìn)行小結(jié).
3.1以Pd為代表的過(guò)渡金屬催化反應(yīng)
1994年,Canary等[27]首次運(yùn)用ESI-MS方法研究Pd(0)催化的芳基硼酸與溴代吡啶偶聯(lián)反應(yīng),為機(jī)理的研究提供了寶貴的證據(jù),該工作為質(zhì)譜表征反應(yīng)活潑中間體以及反應(yīng)機(jī)理的研究奠定了基礎(chǔ).本課題組[28,29]利用電噴霧質(zhì)譜法研究了三氟甲基取代烯炔醇環(huán)異構(gòu)化反應(yīng)和炔基磷酰胺的分子內(nèi)環(huán)化反應(yīng).軸手性產(chǎn)物的Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)在不對(duì)稱(chēng)催化研究中具有重要的意義和創(chuàng)新性,對(duì)這一過(guò)程進(jìn)行質(zhì)譜學(xué)研究也具有很大的挑戰(zhàn)性.此外,我們還采用ESI-MS/MS技術(shù)對(duì)手性雙烯氯化鈀催化的不對(duì)稱(chēng)Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)進(jìn)行了機(jī)理研究[30],根據(jù)Pd的同位素峰簇特征將反應(yīng)相關(guān)的物種和其他物種按質(zhì)荷比進(jìn)行質(zhì)量篩選,成功地捕獲到了目標(biāo)Suzuki反應(yīng)各階段的反應(yīng)中間體.目前,Pd(II)/Pd(IV)的催化循環(huán)體系是有機(jī)化學(xué)中新興的研究領(lǐng)域,這類(lèi)高價(jià)金屬?gòu)?fù)合物是發(fā)生C–H鍵活化和三氟甲基化的重要活性中間體.本課題組與劉國(guó)生課題組[31~33]合作,研究了一系列Pd(IV)催化的有機(jī)化學(xué)反應(yīng),如鈀催化的苯乙烯分子內(nèi)氨基氟化反應(yīng)[31]、鈀催化的烯烴的氧化芳基烷基化反應(yīng)[32]和鈀催化的苯乙烯的氟酯化反應(yīng)[33].本課題組[34]近期研究表明,Pd(IV)反應(yīng)中間體在MS/MS條件下,能發(fā)生氣相還原偶聯(lián)反應(yīng),生成相應(yīng)的偶聯(lián)產(chǎn)物和Pd(II)物種(圖3),這與Pd(IV)復(fù)合物的液相反應(yīng)活性一致.同時(shí),許毓課題組[35]也報(bào)道了Pd(IV)復(fù)合物的相關(guān)質(zhì)譜學(xué)研究結(jié)果.由于ESI-MS技術(shù)能捕獲催化循環(huán)中的關(guān)鍵反應(yīng)中間體,被Chen[36]和Irth[37]證實(shí)是高通量篩選催化劑的一種極具價(jià)值的研究工具.
3.2自由基中間體
中性自由基反應(yīng)中間體不易被ESI-MS檢測(cè),Metzger等[38]曾利用微反應(yīng)器-電噴霧質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)捕獲到了單電子轉(zhuǎn)移引發(fā)的反式茴香腦二聚反應(yīng)中的自由基陽(yáng)離子中間體.在一些自由基反應(yīng)中,一般需Lewis酸進(jìn)行催化,同時(shí)金屬Lewis酸可與底物或自由基中間體形成復(fù)合物,被質(zhì)譜檢測(cè)[39].本課題組[40,41]運(yùn)用ESI-MS研究了Selectfluor參與的親電氟化反應(yīng)和醛的α-氟化反應(yīng),成功捕捉到了親電氟化反應(yīng)過(guò)程中的自由基陽(yáng)離子中間體.通過(guò)向反應(yīng)體系中加入自由基捕獲劑(如Tempo和Dempo等)[42],用質(zhì)譜捕捉到了自由基捕獲劑與反應(yīng)中的自由基陽(yáng)離子中間體形成的復(fù)合物,證明了在所選底物的親電氟化反應(yīng)過(guò)程中確實(shí)存在單電子轉(zhuǎn)移過(guò)程.
3.3高價(jià)碘復(fù)合物參與和催化的反應(yīng)
本課題組[43]于2012年對(duì)PhI催化芳基酮α-乙酰氧基化反應(yīng)進(jìn)行了研究,捕獲了反應(yīng)中目前未能分離或用其他手段未能直接分析的重要中間體:α-λ3-碘烷基酮復(fù)合物.進(jìn)一步研究質(zhì)子化的該復(fù)合物在串聯(lián)質(zhì)譜中的氣相裂解行為表明,最后一步產(chǎn)物的生成經(jīng)歷了分子內(nèi)五元環(huán)過(guò)渡態(tài)的還原消除過(guò)程比分子間SN2反應(yīng)過(guò)程更合理.此外,我們[44]還運(yùn)用質(zhì)譜法研究了三氟甲基苯基碘鎓陽(yáng)離子(CF3I+Ph),發(fā)現(xiàn)PhI+CF3能發(fā)生氣相分子內(nèi)三氟甲基遷移反應(yīng)并脫除碘原子生成PhCF3+,而PhCF3+可進(jìn)一步丟失CF2生成PhF+(圖4),該反應(yīng)能很好地體現(xiàn)高價(jià)碘氟化試劑的本質(zhì)反應(yīng)活性.隨后,本課題組[45]又研究了多氟取代碘苯自由基陽(yáng)離子,發(fā)現(xiàn)其在氣相中特殊的CF2丟失反應(yīng),這體現(xiàn)了多氟取代引發(fā)的新型芳環(huán)裂解反應(yīng).
3.4氣相與液相人名反應(yīng)相關(guān)性的研究
著名質(zhì)譜學(xué)家Beynon曾將現(xiàn)代化的有機(jī)質(zhì)譜儀形容為一個(gè)“化學(xué)實(shí)驗(yàn)室”[46].質(zhì)譜中離子所發(fā)生的重排/碎裂方式與化合物的離子形態(tài)在液相中相應(yīng)條件下的反應(yīng)有一定相似性[47,48],甚至可以“預(yù)測(cè)”研究對(duì)象在溶液中的化學(xué)反應(yīng)途徑.目前,氣相中的人名反應(yīng)除麥?zhǔn)街嘏藕湍鍰iels-Alder反應(yīng)外,一直鮮有報(bào)道.本課題組[49~55]系統(tǒng)地研究了嘧啶氧基-N-芳基芐胺類(lèi)除草劑豐富的氣相化學(xué)反應(yīng),如嘧啶氮引發(fā)的芐基遷移反應(yīng)[49]、質(zhì)子酸促進(jìn)的氣相Smiles重排反應(yīng)[50]、Lewis酸促進(jìn)的氣相Smiles重排反應(yīng)[51,52]、對(duì)氨基磺�；�(yáng)離子的重排反應(yīng)[53,54]和芳環(huán)的逆-Michael反應(yīng)[55].在此基礎(chǔ)上,本課題組[56]研究發(fā)現(xiàn)了類(lèi)似的溶液相反應(yīng),對(duì)研究該類(lèi)除草劑的代謝及降解途徑和環(huán)境行為有重要的意義.2010年,本課題組[57]利用Favorskii重排反應(yīng)順利實(shí)現(xiàn)對(duì)該類(lèi)具有高度環(huán)張力的活潑芳香性小環(huán)類(lèi)化合物的氣相合成,還發(fā)現(xiàn)了N-苯基甲基丙烯酰胺質(zhì)子化后獨(dú)特的氣相N-Claisen重排反應(yīng)[58].潘遠(yuǎn)江課題組在本領(lǐng)域也做出了很多出色的工作,如新型的氣相Smiles重排反應(yīng)[59,60]、逆-Michael反應(yīng)[61]、質(zhì)子遷移誘導(dǎo)解離[62]和銀離子催化的氣相Diels-Alder反應(yīng)[63]等.
4結(jié)論與展望
現(xiàn)代質(zhì)譜學(xué)為有機(jī)反應(yīng)中間體和反應(yīng)機(jī)理的研究打開(kāi)了一扇窗.目前,有機(jī)質(zhì)譜學(xué)的發(fā)展應(yīng)與解決有機(jī)化學(xué)的核心科學(xué)問(wèn)題相結(jié)合,建立有機(jī)化學(xué)各種復(fù)雜過(guò)程中間體研究的方法,為反應(yīng)機(jī)理研究提供支持.當(dāng)代新型質(zhì)譜分析技術(shù)和方法不斷涌現(xiàn),將大大提升質(zhì)譜分析在解決相關(guān)有機(jī)化學(xué)問(wèn)題的能力.
