摘要：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)問題相結(jié)合,建立有機(jī)化學(xué)各種復(fù)雜過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)問題的能力.

　　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,有時離子化過程會破壞其結(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)記和在線電荷標(biāo)記.永久標(biāo)記是通過化學(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(如季銨陽離子中心或磺酸陰離子中心);在線標(biāo)記是利用中間體的特性臨時加入選擇性離子化試劑,實(shí)現(xiàn)中性物種的檢測,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,同時能大大提高微量中性活潑中間體的質(zhì)譜檢測效率.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追蹤溶液中釕卡賓物種的變化,成功檢測到了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)的趨勢性,即該活性中間體在串聯(lián)質(zhì)譜過程中所發(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,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)立體選擇性的評價[22].此外,該課題組[23]通過ESI-MS方法檢測烯丙基酯動力學(xué)拆分反應(yīng)中的活性中間體,而不是前體或產(chǎn)物的新方法來篩選不對稱催化劑.這些技術(shù)和方法使得質(zhì)譜學(xué)為不對稱催化系統(tǒng)的對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)表過關(guān)于質(zhì)譜學(xué)研究反應(yīng)機(jī)理的綜述,本文主要對最新研究進(jìn)展進(jìn)行小結(jié).

　　3.1以Pd為代表的過渡金屬催化反應(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)在不對稱催化研究中具有重要的意義和創(chuàng)新性,對這一過程進(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)對手性雙烯氯化鈀催化的不對稱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,這類高價金屬復(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,許毓課題組[35]也報道了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,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[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)過程中的自由基陽離子中間體.通過向反應(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)過程中確實(shí)存在單電子轉(zhuǎn)移過程.

　　3.3高價碘復(fù)合物參與和催化的反應(yīng)

　　本課題組[43]于2012年對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)過渡態(tài)的還原消除過程比分子間SN2反應(yīng)過程更合理.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“化學(xué)實(shí)驗室”[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”研究對象在溶液中的化學(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,一直鮮有報道.本課題組[49~55]系統(tǒng)地研究了嘧啶氧基-N-芳基芐胺類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]、對氨基磺酰基陽離子的重排反應(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)了類似的溶液相反應(yīng),對研究該類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)對該類具有高度環(huán)張力的活潑芳香性小環(huán)類化合物的氣相合成,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.