陈素明课题组利用原位质谱解析了乙腈在气液界面的化学转化过程

新闻网讯（通讯员高妍）近日，国际期刊Journal of American Chemical Society（《美国化学会志》）在线发表了高等研究院陈素明教授团队在原位质谱结构解析方面的最新研究成果。论文题为“Spontaneous Generation of−CH₂CN from Acetonitrile at the Air-Water Interface”（《乙腈在空气-水界面自发产生氰甲基负离子》）。武汉大学高等研究院魏是奇、万琼琼、周士博为共同第一作者，陈素明教授和万琼琼副教授为共同通讯作者，武汉大学为论文唯一署名单位。

乙腈（CH₃CN）不仅是一种有机溶剂，还广泛存在于大气和太空中。在生物质燃烧和废气排放的情况下，空气中CH₃CN的混合比阈值会显著升高。CH₃CN在大气和生物地球化学循环中发挥着重要作用，但其在大气中的吸收和转化机制还不清楚。而以往的研究发现，空气中的CH₃CN浓度在海洋边界层中显著降低。但由于水和CH₃CN在大气条件下通常是惰性的，因此CH₃CN在空气-水界面的反应性很少受到关注。陈素明研究团队推测，CH₃CN在潮湿环境中的转化可能与气-液界面化学反应有关。

为了探究CH₃CN在空气-水界面的化学转化过程，他们建立了研究气液界面反应的原位质谱分析装置，发现并验证了在空气-水界面上，CH₃CN在水溶液中会前所未有地自发去质子化生成−CH₂CN，并通过捕获关键中间产物和计算化学，揭示了•OH和电子在气液界面协同氧化-还原CH₃CN的间接去质子化机制。•OH会进攻CH₃CN经过过渡态[HO···CH₃CN]^‡生成•CH₂CN，•CH₂CN再从气-液界面得到一个电子生成−CH₂CN。此外，还观察到多重的间接去质子化-质子化的动态过程。为了对−CH₂CN进行精准结构鉴定和反应性研究，实验在线解析了其与丙酮、苯甲醛和母体CH₃CN分子的亲核加成反应，确证了−CH₂CN的结构与高反应活性。此外，原位质谱分析还证明，气-液界面上生成的−CH₂CN能与CO₂发生无能垒亲核加成反应生成2-氰基乙酸，用于CO₂的固定。本研究揭示的协同氧化还原反应过程为气-液界面化学转化提供了新的思路，所发现的独特的CH₃CN反应可能为解开大气环境中CH₃CN转化之谜提供新的线索。

该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划和武汉大学科研启动基金的支持。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c13013

（供图：高等研究院 编辑：相茹）