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Anal. Chem.||高通量质谱筛选平台用于无催化剂、无溶剂条件下新化学反应的发现

今天跟大家分享一篇近期发表在Anal. Chem上的文章,题目是High-ThroughputMass Spectrometry Screening Platform for Discovering New Chemical Reactionsunder Uncatalyzed, Solvent-Free Experimental Conditions (DOI:10.1021/acs.analchem.0c02960)。该文的通讯作者是美国普渡大学Cooks教授课题组的Abraham K. Badu-Tawiah研究员,其主要研究方向为质谱方法学研究、气相离子质谱仪研发及质谱应用。

高通量实验(HTE)可通过系统自动化进行实验研究,目前HTE对于生物测定已非常完善,但对于化学反应筛查则很少。生化实验通常在水性介质中以及室温(或接近室温)下进行,因此利用HTE进行的实验相对简单。不同的溶剂中和较宽的温度范围内的化学反应,挥发性有机溶剂的使用以及材料相容性和蒸发损失等条件,使HTE过程的化学反应自动化具有挑战性。因此,在无溶剂的环境中、特定的室温和压力下进行化学反应筛选具有重要研究意义。质谱作为强大的检测工具,在筛选合适的化学反应研究方面功不可没,但气相离子/分子和离子/离子反应需要对质谱仪进行实质性修改,这限制了质谱的广泛使用。因此,该文创建了一种新型的含大气压化学电离(APCI)源的平台(图1),用于使用非平衡等离子体化学方法进行高通量气相反应筛选,最重要的是通过直接捕获中间体并将选定的气相反应与相应的溶液和液滴相反应进行比较来解释其反应机理。

 

                       

1.内置的APCI反应筛选平台由一个PTFE容器组成,该容器顶部和底部均封闭(4cm L×2cmW×0.5cm H),其中三个独立的100μL玻璃瓶A,可以插入BC进行样品引入。两个玻璃微瓶中的试剂AC)可以通过装有其他物质玻璃瓶互换,从而可以同时监控多种反应。

首先以B-D环化反应为例,将环己酮(1)MW98)和苯肼(2)MW108)的顶空蒸气靠近并通过平台包含的APCI源电离。质谱结果如图2a所示,其中在施加直流电压后立即观察到了预期的环化产物4 m/z 172。在图2a中还观察到了初始缩合产物3的质子化形式(m/z189),可与未反应的试剂1m/z 99109并存。通过MS/ MS实验确认了环化产物4(图2bi),这些碎片离子与在气相中(真空)通过m/z 189的多级(MS3)裂解生成m/z172的质子化4的裂解模式一致(图2bii)。在所含的APCI实验条件下成功实施气相B-D环化反应表明,电离粒子本质上呈高酸性,且存在低分子量物质[H +(H2O)n;n = 12]。尽管该物质不直接参与B-D环化反应,但其存在表明在施加≥4kV电压时,电晕放电中发生高能级碰撞(肼中N-N键的能量≥2.6eV)。在没有施加直流电压的情况下,未观察到对应于反应物和产物的离子信号。为了评估溶剂效果,在溶液相(试剂浓度≤500μM)中进行了相同的反应,随后与带电微滴的反应性进行了比较(实验均不添加外部酸),实验结果表明即使在更高的MS入口温度下也不会形成产物4,这可能是B-D环化反应需要合适的pH和溶剂特性。

2.B-D环化的反应式及其正离子模式质谱图

在接下来的实验中,作者用相同的方式研究了Katritzky反应、Paal-Knorr吡咯合成以及新型自由基介导的肼偶联反应,并观察到了不使用催化剂的预期溶液相反应产物。研究这些反应的目的是创建高通量气相筛查平台,以区分紧密相关的化学结构。基于上述讨论总结了本研究的发现:以伯胺和肼为例,通过将顶空蒸气暴露在所含APCI MS平台的电晕放电中,可以轻松地区分这两个非常相似的官能团。肼通过自由基介导的机理进行偶联反应,最终形成仲胺,而伯胺则通过碳正离子形成N-烷基化叔胺产物。另一方面,当暴露于二酮的顶空蒸气(例如,丙酮基丙酮)时,伯胺通过两次连续损失的水分子而环化,而肼没有发生这一反应。

接下来为了证明该新型封闭式APCI MS筛选平台的高通量功能,研究人员实时分别测试了对2-丁酮的顶空蒸气有反应活性的不同化合物(正丁胺,苯肼,乙醇胺,戊肼和苯胺)。每种试剂的暴露时间保持在5s,然后再有5s的延迟时间,使反应物之间的间隔总共达到10s,这目前是最有效的限制残留效应的方法。实验结果表明对于所有测试的13种化学试剂,均未观察到明显的残留效应,内置的APCI平台的非接触性质也有助于限制污染。其具体实验结果如图3所示。结果显示了每种反应物的清洁产物形成,而不受先前分析的试剂的干扰,证明了本文章所设计的装置具有良好的检测性能。

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  综上,该篇文章首次开发了气相高通量反应筛选平台,以研究相似的官能团的化学结构,发现新的有机反应途径。具体来讲,文中设计的APCI MS筛选平台能够在气相中发现一种新型的自由基介导的肼偶联反应,用于合成脂肪族和芳香族仲胺。与在溶液相和带电微滴反应条件下进行的反应相比,可提高反应效率、降低样品消耗量以及加快气相反应筛查的HTE速度(无需加热,溶剂,催化剂和雾化气体即可进行),同时此方法还可以研究无溶剂环境下非挥发性有机化合物反应,此研究对合成药物以及发现新反应具有重要研究意义。


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