南开大学张新星质谱研究成果：微液滴活化转化CO2新策略

　　近日，南开大学张新星研究员团队利用微液滴化学的独特性质，在无需任何催化剂的前提下，还原了五氟碘苯(C₆F₅I)，使其生成阴离子自由基(C₆F₅I•-)，并与CO₂反应，快速生成五氟苯甲酸(C₆F₅CO₂H)。该工作发表在近期的Journal of the American Chemical Society杂志上。

　　近年来，微液滴化学成为了当下最热门的研究领域之一。现有报道为微液滴气液界面存在的极高电场(10⁹ V/m)提供了证据，该电场可以撕裂氢氧根，生成羟基自由基和自由电子，该电子使某些物质发生自发的还原反应。在本研究中，该团队在手套箱中将C₆F₅I的水溶液喷洒成微液滴，并用质谱检测到了还原产物C₆F₅I•-。相同的实验在大气中无法重复，可见C₆F₅I•-十分不稳定，在大气中无法存活。实验装置如图1a所示。图1b展示了微液滴中C₆F₅I自发地被还原成C₆F₅I•-，以及C-I键断裂后形成的C6F5-峰。图1c和1d给出了不同反应时间和不同浓度对I[C₆F₅-]/I[C₆F₅I•-]强度的影响，结果表明反应时间越长、浓度越低越有利于生成C₆F₅I•-，证明了微液滴效应决定了C₆F₅I•-的生成。

　　图1. 利用微液滴研究C6F5I自发还原

　　一般来说，带有芳环的阴离子自由基，其多余的电子通常占据在π*反键轨道上，然而C₆F₅I•-却十分奇特。团队通过DFT计算和真空阴离子光电子能谱技术，证实C₆F₅I•-多余的电子在C-I键的σ*反键轨道上，这个电子弱化拉长了C-I键，使得其更容易断裂，生成C₆F₅-离子，为后续与CO₂的反应提供了机会。图2a展示了以CO₂作为鞘气，观察到五氟苯甲酸根(C₆F₅CO₂-)的质谱峰。DFT计算表明，由于C₆F₅-的HOMO与CO₂的LUMO对称性匹配，该反应是个无势垒的反应。图2c总结了本研究的总体策略。

　　图2. C6F5I-固定CO2研究

　　南开大学研究生陈欢、王瑞靖为本文第一、第二作者，南开大学本科生徐缙恒为本文第三作者、南开大学研究生苑旭、张冬梅为本文第四、第五作者。南开大学张新星研究员和约翰•霍普金斯大学Kit Bowen教授为本文通讯作者。张新星团队进行了所有的质谱和理论计算工作，Bowen团队进行了光电子能谱的测量。

　　Spontaneous Reduction by One Electron on Water Micro-droplets Facilitates Direct Carboxylation with CO2Huan Chen (陈欢), Ruijing Wang (王瑞靖), Jinheng Xu (徐缙恒), Xu Yuan (苑旭), Dongmei Zhang (张冬梅), Zhaoguo Zhu (朱兆国), Mary Marshall, Kit Bowen*, and Xinxing Zhang (张新星)*J. Am. Chem. Soc., 2023, DOI: 10.1021/jacs.2c12731

张新星团队介绍：https://www.x-mol.com/groups/zhangxinxing