南开质谱团队JACS Au封面：微液滴表面自发单电子氧化还原反应- 大数跨境

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2023-05-30

导读：南开大学张新星研究员团队针对微液滴化学的独特性质，受邀总结了40余个单电子介导的水微液滴表面自发的氧化还原反应，并通过动力学研究，证明了电子的提供和捕获——而非化学键的直接断裂——是介导水微滴界面上氧

近日，南开大学张新星研究员团队针对微液滴化学的独特性质，受邀总结了40余个单电子介导的水微液滴表面自发的氧化还原反应，并通过动力学研究，证明了电子的提供和捕获——而非化学键的直接断裂——是介导水微滴界面上氧化还原反应的关键决速步骤。该工作发表在了近期的JACS Au 杂志上，并被遴选为封面文章。

近几年与微液滴相关的纳微界面反应机制的研究吸引了大量的研究目光。在技术上，质谱作为微液滴反应的主要表征手段，一方面是由于其在分析化学反应中具有捕获短寿命自由基中间体、揭示化学反应机理等方面的天然优势，另一方面更是由于微液滴是一种可以直接喷雾进入质谱仪中进行检测的物质形式，导致质谱技术成为了近年来微液滴化学发展最简单、最重要、最主要的表征方法。因此作者们在本文中列举了使用质谱方法学研究微液滴化学的优势和注意事项。在科学上，水对许多化学反应来说是一种惰性环境。然而，通过简单地将水喷洒成为微米尺寸的微液滴，就可以展现大量独特的性质，这些性质包括异常的pH值、反应物的统一取向和部分溶剂化、极高的反应速率以及极高的气液界面电场等。在微液滴的这些独特性质中，其强大的自发氧化还原能力尤其引人关注。现有大量理论和实验研究表明，或由于界面双电层的形成，或由于大量水分子的自发统一取向，或由于水分子之间的部分电荷转移（H₂O⁺---H₂O^-），在微液滴的气-液界面浅层可以自发产生极高的电场（约10⁹ V/m）。该电场大到足以可以触发氢氧根或其他底物分子的单电子氧化过程，生成相应的自由基和一个电子（图1）。生成的电子还可以继而触发其他底物分子的单电子还原过程。

图1. 微液滴化学气-液界面处的氧化还原机制和质谱分析方法示意图。

图1展示了典型的微液滴化学质谱实验，并阐述了发生在微液滴表面的单电子介导的氧化还原机制。含有某种溶质的水溶液由注射泵强制推入极细的毛细管，高压氮气鞘气可将毛细管推出的液体分散成微液滴，由此产生的微液滴被喷向质谱仪的入口。以这种方式产生的微液滴的大小取决于鞘气的压力，范围在几到几十微米之间。在其表面上即可以自发发生大量的单电子的氧化还原过程。

本文总结了40余个在水微液滴表面上发生的电子介导的氧化还原反应（表1、2），认为在水微液滴表面上电子的产生和捕获——而非化学键的直接断裂——是微液滴大多数氧化还原反应的关键决速步骤。

表1. 微液滴表面呈现单电子氧化过程的物种（电子供体）

表2. 微液滴表面呈现单电子还原过程的物种（电子受体）

在单电子是微液滴表面氧化还原反应的载流子的前提下，OH^-在微液滴上可以作为电子供体，如果在溶液中加入上述电子供体（表1中的分子），那么水微液滴上应该有更多的电子，在动力学上就应该可以加速电子受体的还原反应，进一步巩固电子确实是介导水微液滴上氧化还原反应的载流子的观点。

为了验证这一假设，本文作者从表1中选择了三种电子供体：四硫富瓦烯（TTF）、羟甲基二茂铁（FM）、N,N,N’,N’-四甲基-1,4-苯二胺（TMPA），并将这三者分别和电子受体EV²⁺（乙基紫精二价阳离子）的水溶液喷洒成微液滴。其中图2a为喷洒纯EV²⁺溶液的质谱图，OH^-是唯一的电子供体，EV²⁺转化为EV^•+ (m/z = 214)，m/z 150~200的峰是不稳定EV^•+的降解产物。图2b−2d分别为喷撒TTF与EV²⁺、FM与EV²⁺、TMPA与EV²⁺的混合溶液的质谱图。在这些混合体系中，还原产物EV^•+的强度明显增加，表明电子供体的加入加速了EV²⁺的还原。图2e展示了4个系统中EV^•+/EV²⁺的相对强度的比较，清楚地显示了添加电子供体后还原产物增加了2到7倍。图2f−2h还显示了混合体系中氧化过程的加速动力学，TTF、FM和TMPA的氧化过程也应该随着EV²⁺的加入而加速。TTF^•+、FM^•+和TMPA^•+自身的绝对质谱强度随着EV²⁺的加入增加了2倍左右。这些结果清楚地表明电子确实是介导水微滴上氧化还原反应的载流子，且简单的动力学研究证明了电子提供和电子捕获是两个相互加速的过程。而后续的进一步化学反应（如化学键的断裂和生成）在微液滴中成为了超快的非决速步骤。

图2. 微液滴单电子氧化还原过程的动力学研究

在论文中，作者也在合成化学和大气化学的大背景下讨论了微液滴自发氧化还原能力的潜在影响。首先，微液滴对反应的加速能力在有机合成中已经得到了广泛的认可，现有的部分微液滴化学研究已经实现了克级的合成。微液滴反应由于只需要将底物的水溶液喷洒成小水滴，无需催化剂、额外的能量输入、复杂的反应装置，完全符合绿色化学的特征，因此有望在合成化学中展现更多的潜力。其次，微液滴化学在大气化学方面也具有重要启示。大气的总体氧化还原能力决定了污染的生成、天气甚至气候的形成和变化。大气水，如云、雾和海洋飞沫，都是微米大小的微液滴。由于微液滴可以促进自发的氧化还原反应，文章建议在未来的大气研究中，也许可以将微液滴效应考虑进来。

南开大学研究生金水慧、陈欢、苑旭为本文并列第一作者；南开大学张新星研究员为本文通讯作者。本文被遴选为杂志本期封面论文。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

The Spontaneous Electron-Mediated Redox Processes on Sprayed Water Microdroplets

Shuihui Jin,^# Huan Chen,^# Xu Yuan,^# Dong Xing, Ruijing Wang, Lingling Zhao, Dongmei Zhang, Chu Gong, Chenghui Zhu, Xufeng Gao, Yeye Chen, and Xinxing Zhang*

JACS Au, 2023, DOI: 10.1021/jacsau.3c00191

导师介绍

张新星

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