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武汉大学陈素明课题组对近年来发展的用于有机电合成反应机理研究的质谱装置进行了文献综述。基于质谱的在线电化学分析装置是研究电化学反应机理的重要工具。通过建立电化学-质谱(EC-MS)耦合装置,能够实现实时电化学反应活性中间体的捕获与分析,为阐明反应机理提供关键证据。作者根据离子源类型将装置分为EC-ESI-MS, EC-DESI-MS, EC-nESI-MS与EC-PSI-MS,分别介绍了代表性装置的亮点与应用,并对该领域新型EC-MS装置的设计和应用进行了展望。
电化学反应作为一种绿色合成方法,具有重要的经济价值与社会效益。这一过程利用电子作为反应剂,避免使用大量的氧化剂和还原剂,有效控制了来自试剂的废物污染。传统的电合成反应主要是基于直流电(DC)的电解反应,分子/离子分别在阳极与阴极被氧化和还原。与电流始终单向流动的直流电路不同,交流电电路中的极性会随着电流定期反转。交变电流电解(ACE)可在同一电极表面进行氧化和还原过程。另外,有机电合成具有优异的选择性和反应活性,在偶联反应、C-H 活化,以及不对称合成等方面显示出广泛的应用前景。但是电化学反应非常复杂,反应的效果依赖仪器、电极选择,容易受到电解质和溶剂等外界因素的影响,并涉及多种物理化学中间过程,了解其机理并非易事。 准确、系统地监测反应过程中的中间过程变化对了解电化学反应的机理至关重要。是了解电化学反应机理的关键,也是合理设计新型电化学反应的基础。然而,由于电化学反应过程复杂、活性中间体寿命短,反应过程的实时监测和精确解析是一直以来的难题。对于反应过程监测,通常可以使用原位谱学技术或电化学来实现,如原位吸收光谱、电子顺磁共振波谱、快速扫描循环伏安法等。但这些方法在响应时间和化学结构解析方面的固有局限性,限制了它们的应用,导致很多化学反应的机理仍然缺乏直接的证据。为了更全面、更系统地了解物质的精确结构及其在电化学反应过程中的变化信息,并实时、原位监测瞬态反应过程,迫切需要一种新的技术手段。质谱法具有表征能力强、灵敏度高、响应速度快等特点,是研究化学反应的最佳仪器方法。通过将电化学装置与质谱分析相结合,可以深入了解单个物质在整个反应过程中的动态变化,从而通过捕捉和识别瞬时中间产物,为阐明电化学反应机理提供关键证据。 近几十年来,电喷雾电离(ESI)技术的出现以及纳升电喷雾电离(nESI)、解吸电喷雾电离(DESI)和纸喷雾电离(PSI)等常压电离方法的迅速发展,为常压质谱装置的设计和操作带来了前所未有的便利,也为电化学反应的原位分析和在线分析带来了新的灵感。大量新型电化学质谱装置的出现,显著提高了电化学反应监测的时间响应速度和实时时间分辨能力。这些原位电化学反应装置的应用为有机电化学反应的机理提供了关键证据和新的见解,并促使在线电化学质谱分析成为研究电合成反应机理的重要工具。本综述介绍了近年来发展迅速的新型 EC-MS 装置的最新研究进展,着重介绍装置设计及其在有机电化学反应机理研究中的应用,分析其优缺点,并提出开发新型 EC-MS 装置的可能方向。 论文信息 Recent Advances in On-Line Mass Spectrometry Toolbox for Mechanistic Studies of Organic Electrochemical Reactions Kaixiang Chen, Qiongqiong Wan, Shiqi Wei, Wenjin Nie, Shibo Zhou, Suming Chen Chemistry – A European Journal DOI: 10.1002/chem.202402215
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