有机电合成是利用电能驱动高附加值化学品合成的绿色化学技术，具有选择性高、能耗低及环境友好等优势。在该方法学的发展过程中，反应体系筛选与反应机理解析构成了两个关键的研究环节：前者通过系统化的条件筛选为底物适用范围的拓展奠定基础；后者则通过分子机制的探索为新型反应体系的开发提供指导。目前的反应筛选方法往往利用高通量实验（HTE）装置，依赖其耦合的高效液相色谱（HPLC）、液质联用（LC-MS）技术对反应产率进行测定，但分析速率仍无法满足反应快速评估的需求。而面向反应机理研究的原位表征技术（如电化学、原位光谱、电子顺磁共振等）虽然可以捕获解析特定的瞬态过程中间体，但往往难以全面描绘反应网络中的分子信息及其动态变化（图1a）。

质谱特有的分子信息读取能力使其成为电合成反应筛选与机理研究的理想检测终端。鉴于此，近年来研究者已开发出了一系列针对有机电合成反应的电化学质谱（EC-MS）分析平台（如双极电极电喷雾、纳米静电喷雾、浮地电解等），实现了亚稳态中间体的捕获与监测。然而，有机电合成反应涉及电极反应与均相反应两个主要环节，多个底物在电化学活化后生成的中间体往往会在电极界面与均相溶液之间穿梭，同时伴随着中间体之间的交互反应。如何区分电极过程与均相过程新生物种的身份并追踪其动态演进，对于电合成反应网络的解析至关重要。

图1解耦式电化学流动反应器-原位质谱分析平台（DEC-FMR-MS）的设计与构建。

针对上述问题，南京大学化学化工学院闵乾昊课题组与程旭课题组合作，开发了一种解耦式电化学流动反应器-原位质谱分析平台（DEC-FMR-MS）（图1b），将有机电合成反应中的电极非均相反应与溶液均相反应进行空间隔离，结合无高电压原位电离技术，实现了电合成反应的快速筛选与多步反应中间体的拆解剖析。该平台采用的无高电压电离技术有效避免了传统高压电离源对本征电化学反应的影响，使得电合成中的多变量（电位、催化剂、底物等）调控与筛选成为可能。此外，解耦式设计将不同底物的电化学活化过程分摊到各自的电化学流动反应器中，有助于在纷繁的反应网络中剥离解析特定自由基参与的反应路径。基于DEC-FMR-MS平台，该团队发现并验证了电氧化C-H/N-H自由基交叉偶联反应中的“类电催化”反应机制，测定了TEMPOH介导的氮杂环脱氢反应动力学，并从分子层面重新审视了烯烃的电化学氮杂环丙烷反应中分别由烯烃自由基阳离子与氮宾介导的反应路径。

图2电氧化C-H/N-H自由基交叉偶联反应的高通量筛选与反应路径解析。

以N,N-二甲基苯胺（DMA）与酚噻嗪（PTA）之间的C-H/N-H自由基交叉偶联反应为模型，该平台可实现反应过程中中间体自由基阳离子、产物、副产物的全域提取与监测（图2）。通过整合电化学微孔板（ECMP），将流动池反应产物与内标的离子信号比值定义为质谱产率（MS yield），实现了不同条件下不同底物反应活性的高通量快速评估（4秒可完成单个样品采集，纳摩尔级样品消耗量）。此外，通过将底物的电极反应与后续均相反应进行空间解耦，发现并验证了分别由PTA氮宾阳离子以及副产物二聚体N,N,N',N'-四甲基联苯胺（TMB）自由基阳离子介导的两条隐藏的C-N偶联反应路径。

图3TEMPOH介导的氮杂环脱氢反应的高通量筛选与反应动力学测量。

分子电催化反应中，催化剂在电极界面得/失电子后需返回均相溶液中参与底物的还原/氧化，这一反应特点与DEC-FMR-MS平台反应器解耦式的设计十分适配（图3）。利用该平台，团队成功实现了分子电催化合成反应中催化剂、底物的筛选与多步反应中间体的捕获，并通过巧妙调控均相反应毛细管长度监测催化剂活性物种TEMPO⁺的信号衰减，实现氮杂环脱氢反应动力学常数的测定。

图4烯烃电化学氮杂环丙烷反应的高通量筛选、路径拆解与权重分析。

烯烃的电化学氮杂环丙烷反应过程通常被认为由烯烃活化和氮源活化两种途径组成，且均需要多步电化学氧化（图4）。团队通过在反应器中灵活调控底物电极反应与均相反应的物理分隔节点，明确了氮源活化（67.0%）与烯烃活化（33.0%）路径的分配权重。并进一步开发级联电解模式，实现了13种含氮化合物与4种烯烃底物之间的反应性评估。通过对解耦式反应器中电极反应的原位质谱分析，成功获取了N-氨基邻苯二甲酰亚胺（PhtNH₂）与反式茴香烯（TA）之间氮杂环丙烷反应中的多种关键反应中间体，为分别由烯烃自由基阳离子与氮宾介导的反应路径提供了完整的分子信息证据。

综上，该工作提出了一种流动池在线反应结合原位质谱即时监测的有机电合成过程测量新范式，实现了多种类型电合成反应体系的多参数调控和高通量筛选；同时，以解耦式设计完成了多步电化学过程与均相过程中亚稳态分子信息的区分提取，助力电合成反应节点与路径的详解。未来，这一有机电合成原位质谱分析平台有望在更为复杂的电合成（电化学过渡金属催化、光电化学催化、交流电解等）体系筛选与机制探索中发挥更大的作用。

相关成果近期在Nature Communications上发表。南京大学化学化工学院博士后张雪萌为该工作第一作者，闵乾昊教授和程旭教授为文章的共同通讯作者。研究得到了化学化工学院朱俊杰教授的大力支持。

闵乾昊，南京大学化学化工学院教授/博士生导师，南京大学化学和生物医药创新研究院双聘PI，国家优秀青年基金获得者，国家重点研发计划青年科学家项目首席。2007年获南京大学理学学士学位， 2012年获南京大学理学博士学位。2013-2014年赴斯坦福大学化学系从事访问学者研究（合作导师：Richard N. Zare）。2016年获国家自然科学基金优秀青年科学基金项目资助。主要研究方向为质谱分析，包括原位电离质谱、纳米标签质谱的方法学开发及其在生命过程、化学过程分子信息动态监测中的应用。在Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、ACS Nano、Chem. Sci.、Anal. Chem.等期刊发表论文70多篇。

程旭，南京大学化学化工学院教授/博士生导师。2000年获南开大学理学学士学位，2005年获南开大学理学博士学位（导师：周其林院士）。2005-2012年分别在德国Max-Planck煤炭研究所（合作导师：2021年诺贝尔化学奖获得者Benjamin List）、美国德克萨斯州立Austin分校、美国普渡大学从事博士后研究。获得2017年Thieme Chemistry Journal Award，入选2019年江苏省青蓝人才工程。主要研究方向为有机电合成与自由基化学，包括清洁能源驱动的物质转化、绿色合成、利用电能实现高活性物质的简单构建等。在Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、CCS Chem.、ACSCatal.、Org. Lett.、Chem. Sci.等期刊发表论文90多篇。