今天跟大家分享一篇近期发表在Anal. Chem上的文章，题目是In Situ Laser ScatteringElectrospray Ionization Mass Spectrometry and Its Application in the MechanismStudy of Photoinduced Direct C−HArylation of Heteroarenes (DOI:10.1021/acs.analchem.0c02384)。本文的通讯作者是北京大学的白玉教授，其主要研究方向为质谱分析，单细胞分析以及临床相关应用。对有机化学反应过程进行实时、准确地监测可以更好地阐释反应机理，可为为深入理解进而改造化学过程奠定基础。常压质谱（AMS）可在大气压环境下直接采样，具有高分辨率、高灵敏度、高通量、操作简便以及结构鉴定能力强等特点，近年来在有机反应监控研究领域的发展具有重要意义。可见光介导的杂环芳烃C-H键活化直接芳基化反应，近年来，因其合成条件温和且可持续性，在合成化学领域广受关注。但该反应受限于长时间有机反应过程中短寿命瞬态中间体以及自由基阳离子中间体的低产率和不稳定性，截止该类反应的机理尚缺乏明确证据。本篇文章选择喹啉作为底物与4-甲氧基苯重氮四氟硼酸盐反应，使用自主设计的LS-ESI-MS装置及通过开关激光光源间歇性引发和终止反应，捕捉和证实反应过程中存在两种可能中间体，即Ru(bpy)33+和自由基阳离子。这两种中间体是探讨光催化杂环芳烃直接C-H芳基化反应机理的关键中间体，利用质谱的直接检测结果和理论的同位素分布即可证实Ru(bpy)33+的存在。之后结合超高质谱分辨率对中间体进行了结构鉴定。利用搭建的 LS-ESI-MS 方法首次原位对可见光介导的杂环芳烃直接 C-H 芳基化过程进行监测，并对反应进程中涉及的中间体和产物进行了较为全面的监测，为全面理解整个反应过程提供了确实的实验证据。为探讨光催化的C-H 芳基化反应过程和相关机理提供了重要的实验支撑，并对该反应机理给出了较为完整的解释。其反应机理及反应物编号如图1所示。整个设置包括改进的ESI喷射针和激光器。通过烧制除去琥珀毛细管（内ID，250μm）的聚酰胺涂层后，拉动激光移液管，以创建ESI锥形发射器。PEEK TEE被用作高压电极，发射器和反应溶液的采样毛细管的支架。在电极上施加+4kV的直流（DC）电压以进行样品电离。接下来，用一些物质重新涂上毛细血管的氮表面，使得当通过激光照射毛细血管时，可以容易地产生散射现象。LS-ESI-MS的设计核心来自于毛细管表面涂覆的“介质”可以引发管内长距离的光散射现象，使得光催化反应的窗口增大，采用微型连续激光作为高功率照明源，触发在含有连续反应混合物和光致氧催化反应的毛细管上照射的激光，提高中间体的产率。该方法简便易于操作，将进样毛细管去除涂层后，通过浸渍的方式在其表面涂覆约1 mm的氧化石墨烯（graphene oxide，GO）薄膜，在1 W连续激光光源照射下即可引发光散射现象（长度约6 mm），反应产率的提高使得通常检测不到的瞬态中间体被高分辨质谱检测和鉴定。图2（a）原位LS-ESI-MS的示意图; （b）激光散射与（c）直激辐射之间的比较为了验证整个反应循环，使用与自由基阳离子2的检测平行的程序来研究Ru(bpy)33+的光抑制氧化产物。将Ru(II)(bpy)3Cl2（8ppm）和4-甲氧基苯齐氮鎓四氟硼酸盐（24ppm）的混合物注入毛细血管中而没有10μl/ min的流速再次喷射。当激光关闭时，在MS频谱中检测到Ru（bpy）32+（m / z = 285.0555）（图3a）。当激光接通时，发现M / Z 190.0366（Z = 3+）的显着峰（图5a，b中的10次放大）。它与Ru（BPY）33+的理论同位素峰分布良好（0 ppm的误差），其归因于光催化剂的氧化产物。EIC用于实时具有周期性激光照射的光致脉冲离子（图3c）。可证明所设计的装置可有效地捕捉到中间体并解释反应机理。综上所述，本文通过所设计的原位LS-ESI-MS方法，提供了一种用于监测相对时间长的反应的解决方案，可以捕获到以往被视为各种直接C-H芳基化反应中的关键产物的自由基阳离子中间体，以及氧化光催化Ru（III）中间体，解释了该类反应的相关机理。LS-ESI-MS方法搭建较为简单，可克服反应的缓慢速率限制步骤，并提供研究其机制的可能性，表明该设置在有机化学反应中间体和反应机制研究中具有重要研究意义。
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