于 凯，张铭旺，洪子英，张 洪，姜 杰

(哈尔滨工业大学(威海)，海洋科学与技术学院，山东 威海 264209)

间甲苯胺是苯胺环烷基取代衍生物，可通过化学氧化或电化学氧化生成聚间甲苯胺[1-2]，由于其具有良好的导电性能，常被用作电极改性和传感器材料[3-5]。目前，间甲苯胺的研究主要集中于聚合物的合成与应用，关于其氧化机理的报道较少。张贵荣等[6]采用原位紫外-可见光谱法分析了间甲苯胺在恒电位下的氧化产物，发现聚合反应的发生不仅与氧化电压有关，还与间甲苯胺的浓度有关，并且观察到聚合物含有吩嗪或类似吩嗪的环结构。Salma等[7]在0.6 V电压下合成聚间甲苯胺，随后用紫外-可见光谱法对产物进行表征，在λ=338、460和668 nm处发现了3个谱带，分别对应还原态的无色翠绿亚胺、半氧化态的翠绿亚胺和完全氧化态的潘尼红结构。虽然紫外-可见光谱法实现了聚间甲苯胺结构的有效表征，但对于反应生成的关键阳离子自由基和中间产物等未能给出数据支持，影响间甲苯胺电化学反应机理的分析。

质谱具有灵敏度高、选择性好、分析速度快、可解析结构等特点，是研究化学反应机理的有效手段[8-9]。近年来，采用质谱研究电化学反应机理的报道越来越多，尤其是质谱在线监测技术的发展，实现了电化学反应动态变化过程和产物信息的有效分析[10-12]。2016年，Shao等[13]通过热沉积法在双通道毛细管的一个通道尖端固定碳粉作为工作电极，在另一个通道插入银/氯化银金属丝作为辅助电极，当触发毛细管后方的压电手枪时，正在进行电化学反应的薄层溶液被电离并进入质谱检测，利用该装置研究多巴胺和尿酸的电化学氧化过程和三联吡啶钌(Ⅱ)的电化学发光机理，发现生成了多种中间产物。2020年，Xu等[14]将双极超微毛细管电极与纳米电喷雾-质谱法相结合，用于监测瞬时发生的电化学反应，发现不同物质生成的阳离子自由基为分析反应机理提供了数据支撑。

基于上述装置工作原理，本研究拟开发电化学-微米电喷雾-质谱法，使用微米毛细管作为电化学电解池，同时作为电喷雾离子源，内置2根铂金丝分别作为工作电极和辅助电极，通过连接自制的电化学工作站，同时向样品溶液中施加电化学反应电压和电喷雾电压，实现电化学反应的实时、在线质谱分析。利用该电化学-微米电喷雾-质谱技术研究间甲苯胺的电化学氧化机理，捕捉反应生成的自由基阳离子、中间体和聚合物，分析溶液pH值对间甲苯胺电化学反应的影响。

1 实验部分

1.1 仪器与装置

LTQ-Velos质谱仪：美国Thermo Fisher Scientific公司产品，配有Xcalibur型数据处理系统；CHI660E电化学工作站：上海辰华仪器有限公司产品；P-1000玻璃管拉制仪：美国Sutter Instrument公司产品；实验室定制的电化学工作站，可输出千伏级的高电压，其电路连接示于附图1(请登录《质谱学报》官网www.jcmss.com.cn下载)。

1.2 样品与试剂

间甲苯胺：色谱纯，上海阿拉丁试剂有限公司产品；氯化钾：分析纯，天津市致远化学试剂有限公司产品；乙腈：HPLC纯，美国Sigma-Aldrich公司产品；醋酸：分析纯，烟台双双化工有限公司产品；氨水：分析纯，烟台铁塔试剂有限公司产品；水：由Milli-Q超纯水仪制备。

1.3 质谱条件

正离子模式检测，质量扫描范围m/z50～1 000；金属毛细管温度275 ℃，毛细管电压35 V；最大离子注入时间10 ms(全扫描)，管状透镜(tube lens)电压130 V；串联质谱分析时，碰撞诱导解离电压25～35 eV。

1.4 电化学-微米电喷雾离子源

本研究搭建的电化学-质谱装置示于图1a，电化学电解池采用内径1.56 mm，外径2.00 mm的玻璃管，其一端通过拉制仪制成口径5 μm的锥形尖端，示于图1b。电极体系由工作电极和辅助电极组成，其中工作电极为直径0.3 mm的铂金丝，辅助电极为直径0.4 mm的铂金丝，为避免两电极在玻璃管内部接触造成电化学工作站短路，需要将工作电极的中段部分嵌入内径0.5 mm的玻璃点样管中。实验开始前，将玻璃管置于三维调节平台，确保玻璃管锥形尖端正对质谱入口且距离5 mm。随后，插入工作电极和辅助电极至玻璃管锥形尖端，使用导线将两电极与定制的电化学工作站连接。将30 μL样品溶液注入玻璃管并确保充满锥形尖端，通过电化学工作站分别向工作电极和辅助电极施加(2 000 +ΔE) V和2 000 V的电压，其中2 000 V是反应液形成电喷雾的电离电压，ΔE是样品进行电化学反应的电压。该方法可保证样品溶液发生电化学反应的同时产生电喷雾，反应产物进入质谱完成分析，从而实现整个电化学反应过程的实时、原位监测。

图1 电化学-微米电喷雾-质谱装置示意图(a)和微米毛细管(b)Fig.1 Schematic diagram of electrochemistry-micro electrospray ionization-mass spectrometry device (a) and micro capillary (b)

2 结果与讨论

2.1 pH值对间甲苯胺氧化效率的影响

使用CHI660E电化学工作站，采用标准三电极体系(工作电极为直径0.3 mm的铂盘，辅助电极为铂金丝，参比电极为银/氯化银电极)在10 mL烧杯中研究1.0 mmol/L间甲苯胺溶液(电解质为0.1 mmol/L KCl)中(pH≈7，溶剂为乙腈-水溶液(1∶19，V/V))的电化学循环伏安图，示于图2a。在0～0.4 V范围内，电流在约0.17 V处开始迅速增大，表明间甲苯胺此时开始发生氧化反应。随后，依次分析了1.0 mmol/L间甲苯胺在pH 4、2、10溶液中的循环伏安曲线，示于图2b～2d。这3种溶液均含有0.1 mmol/L KCl，溶剂为乙腈-水溶液(1∶19，V/V)，采用醋酸和氨水调节溶液pH。通过对比发现，在酸性和碱性环境中，需要施加较高的电压才能激发间甲苯胺发生氧化反应，其氧化电压大小排序为pH 10>pH 2>pH 4>pH 7，而在中性条件下，仅需较低电压便可实现间甲苯胺的氧化反应。另外，为了排除基质干扰，分析了不同pH值下醋酸和氨水的循环伏安图，示于图3。可见，氨水和醋酸均未发现明显的氧化还原峰，表明在该电压范围内没有电化学响应，不会干扰间甲苯胺反应的监测。

图2 在pH 7(a)、4(b)、2(c)、10(d)条件下，间甲苯胺的循环伏安曲线Fig.2 Cyclic voltammograms of m-toluidine at pH 7 (a), 4 (b), 2 (c), 10 (d)

为进一步研究溶液pH值对间甲苯胺电化学氧化反应的影响，基于循环伏安法获得的氧化电压，采用电化学-微米电喷雾-质谱法获取反应时间为7 min时不同pH值下间甲苯胺的氧化产物质谱图，示于图4。在pH 7的质谱图中，可以发现从二聚体(m/z211)到五聚体(m/z524)一系列间甲苯胺低聚物(具体分析见2.2节)。当溶液为弱酸性，即pH 4时，同样可以观察到多种间甲苯胺低聚物，但是相比于pH 7，这些低聚物峰的相对强度明显较低，表明其生成效率下降，随着溶液pH值进一步降低，在pH 2的质谱图中几乎观察不到低聚物的生成。当反应在碱性环境(pH 10)中进行时，所获得的质谱图中仅有二聚体的峰较明显，另外，相比于其他3组数据，碱性条件下间甲苯胺单体的峰强度最低，表明其在单位时间内的消耗量最大，即反应速率最快。上述实验表明，溶液pH值对间甲苯胺电化学氧化反应的影响比较显著，在中性条件下(pH 7)最适合间甲苯胺长链聚合物的生成。

注：a.pH 2;b. pH 10图3 醋酸(a)和氨水(b)的循环伏安图Fig.3 Cyclic voltammograms of acetic acid (a) and ammonium hydroxide (b)

图4 不同pH值下，间甲苯胺电化学氧化产物质谱图Fig.4 Mass spectra of m-toluidine electrooxidation products at different pH values

2.2 中性条件下间甲苯胺氧化机理分析

采用电化学-微米电喷雾-质谱装置实时、在线监测间甲苯胺的电化学氧化反应过程，当ΔE=0 V，即未输入氧化电压时，1.0 mmol/L间甲苯胺(pH≈7，溶质为0.1 mmol/L KCl，溶剂为乙腈-水溶液(1∶19，V/V))的质谱图示于图5a，基峰出现在m/z108处，应为间甲苯胺单体得到1个质子形成的准分子离子峰[M+H]+，其他强度较低的离子峰来源于溶液中的杂质。当ΔE=0.39 V(由0.17 V+0.22 V得到，由于玻璃管中没有参比电极，在微米电喷雾装置中的恒电位反应电压需要加上参比电极电势0.22 V)时，经质谱实时、在线监测，获得间甲苯胺的电化学氧化产物质谱图，示于图5b。与图5a对比发现，间甲苯胺产生了一系列新的离子峰，其中m/z107为间甲苯胺失去1个电子形成的阳离子自由基M+·，m/z211是二聚体的碎片离子，其离子流图示于图5c，峰强度随反应进行逐渐增强，m/z316为三聚体的碎片离子，其离子峰相对强度最高，m/z419和m/z524分别为四聚体和五聚体的碎片离子。需要指出的是，五聚体的质谱信号强度最低，表明随着链增长反应的进行，具有较高分子质量的聚合物开始析出并沉积到电极表面，无法被质谱检测。自制电化学工作站记录的ΔE随反应进行的变化示于图5d，表明该电化学工作站能够稳定输出间甲苯胺电化学反应所需的电压，在实现间甲苯胺电化学反应的同时，产生反应产物的电离喷雾。

图5 在ΔE=0 V(a)和ΔE=0.39 V(b)反应10 min后的间甲苯胺质谱图，m/z 211离子流图(c)和ΔE随反应时间的变化图(d)Fig.5 Mass spectra of m-toluidine obtained at ΔE=0 V (a) and ΔE=0.39 V (b) after 10 min, EIC of m/z 211 (c) and recorded value of ΔE as reaction proceeding (d)

进一步观察图5b发现，在任一低聚物离子峰右侧存在多个簇峰，以二聚体为例，有m/z212和213两个峰，相对强度明显高于m/z211的同位素峰，示于图6a，推测这两种物质属于间甲苯胺的二聚体产物。随后，采用串联质谱技术对m/z211、212和213进行分析，结果分别示于图6b～6d。可以发现，3种离子产生了不同的碎裂峰，其中，m/z211仅失去1个甲基，表明已经形成更稳定的氧化态共轭结构；m/z212失去1个甲基，形成碎片离子m/z197，它与m/z211失去1个甲基形成的m/z196离子结构不同；m/z213分别失去1个氨基和2个甲基，推测是由2个自由基单体头尾结合造成的。有报道[6,15]采用紫外-可见光谱法表征间甲苯胺的电化学氧化产物，认为聚间甲苯胺存在醌环和苯环结构，本研究采用电化学-质谱技术，不仅验证了此结论，还发现了一些细节，即m/z213是含有苯环结构的二聚体的加氢峰，m/z212为二聚体m/z213失去1个电子生成的阳离子自由基，m/z211为m/z213失去2个质子形成的含有醌环结构的二聚体，表明间甲苯胺具有类似苯胺的电化学聚合反应机理，该结论同样适用于间甲苯胺的其他低聚物。该结论也解释了图4中pH 10条件下，其生成三聚体的峰强度较pH 7时明显降低，推测是由于碱性环境有利于二聚体失去2个质子生成具有共轭结构的产物(m/z211)，从而影响后续长链产物的生成。

注：图a中，红色为同位素峰的理论峰强度，黑色为实验获得的峰强度图6 间甲苯胺m/z 211理论同位素峰强度与实验获得的峰强度m/z 212对比(a)，以及m/z 211(b)，212(c)，213的二级质谱图(d)Fig.6 Relative intensity comparison between the isotopic peak of m/z 211 and the experimentally obtained peak m/z 212 (a), MS2 spectra of m/z 211 (b), 212 (c), 213 (d)

间甲苯胺聚合物的形成过程示于图7。在0.39 V电压下，间甲苯胺的电化学反应非常迅速，t=0.5 min时便可观察到一定强度的二聚体(m/z211、212和213)以及三聚体(m/z316、317和318)的质谱峰。随着反应的进行，在3 min时开始出现四聚体(m/z421)，且二聚体、三聚体碎片离子的峰强度随反应时间的增加显著增强，5 min时可以观察到间甲苯胺的五聚体(m/z524)，7 min时质谱图的基峰由间甲苯胺单体(m/z108)转换为三聚体(m/z316)。

图7 间甲苯胺电化学氧化产物随时间变化的质谱图Fig.7 Mass spectra of m-toluidine electrochemical oxidation products obtained at different reaction time

基于上述实验结果，间甲苯胺可能的电化学氧化机理示于图8。首先，间甲苯胺单体m/z108被氧化失去1个电子形成阳离子自由基m/z107，2个自由基结合形成二聚体m/z213，一部分二聚体发生分子内部的氧化反应并失去2个质子，形成含有醌环结构的二聚体m/z211，另一部分继续被氧化失去1个电子生成二聚体阳离子自由基m/z212，其可以与单体阳离子自由基耦合形成三聚体m/z318。随后，该三聚体重复上述过程形成四聚体，最终生成某一长链聚合物并沉积到电极表面。

图8 间甲苯胺电化学氧化机理图Fig.8 Proposed electrooxidation mechanism of m-toluidine

3 结论

采用电化学-微米电喷雾-质谱技术实时、在线监测了间甲苯胺的电化学氧化反应过程，通过质谱检测到间甲苯胺单体阳离子自由基m/z107以及二聚体、五聚体等低聚物，且发现同类低聚物存在苯环和醌环两种结构，并推测了间甲苯胺的电化学氧化反应机理。此外，pH值对间甲苯胺的电化学氧化反应具有较大影响，酸性环境会抑制反应速率，反应速率随溶液pH值升高而增大，但在碱性条件下会导致生成大量具有共轭结构的二聚体，阻碍三聚体以上低聚物的产生。