这个信号是否值得关注？ESI-MS反应监测中电荷标记技术的实用指南

《ACS Organic & Inorganic Au》：Is the Signal Worth the Noise? A Practical Guide to Charge-Tagging for ESI-MS Reaction Monitoring

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电喷雾离子化质谱（ESI-MS）已成为实时反应监测的独特强大平台。然而，由于ESI-MS本质上只能检测带电物种，因此电离过程可能会改变中性分析物的电子结构、配位环境或物种形态，从而复杂化机理解释。本教程综述提供了实用的和机理上的指导，介绍了一种称为电荷标记（charge-tagging）的策略，以解决这些挑战。文章探讨了电荷标记的概念基础：通过将一个永久性的离子基团连接到配体或底物上，可以最小化电离引起的化学修饰，从而在催化转化过程中准确追踪溶液相中的物种形态。讨论了关键的设计原则，包括选择弱配位的反离子、优化电喷雾响应、减轻聚集和污染以及保持与中性类似物的空间和电子性质。详细介绍了阴离子（主要是磺酸盐基）和阳离子（铵和膦基）电荷标记的合成方法，并强调了实际考虑因素，如盐的置换反应、芳烃磺化的区域选择性、亲核取代策略以及避免不必要的反应性。通过钯和钌介导的转化等典型应用，展示了电荷标记探针如何在实际条件下实现动力学分析、识别瞬态中间体以及区分不同机理。通过整合理论背景、合成方法和实际故障排除，本综述旨在使从业者能够尽可能简单有效地设计、制备和运用电荷标记化合物。

**引言**
电喷雾离子化（ESI）是一种产生气相离子的技术，属于软离子化方法。软离子化通过几乎不导致分析物碎裂的过程产生气相离子，理想情况下保留分子离子作为气相中最丰富的物种。(1) 在ESI中，分析物溶液流经带电毛细管，在其中阴离子或阳离子分别发生电化学氧化或还原，导致溶液带着多余的电荷从毛细管中流出。由于源毛细管与电喷雾源室之间的电压差，在毛细管尖端形成一个泰勒锥（Taylor cone），从而将带电的分析物溶液滴液喷射出来（图1）。(2) 在适当的源温度和脱溶剂气流条件下，滴液中的液态溶剂开始蒸发，使滴液体积减小，从而有效浓缩了多余的电荷。随着滴液表面的电荷密度增加，离子被喷射到气相中。(3?5) 离子蒸发是低分子量分析物形成气相离子的原因，而较大且更复杂的分析物可能通过其他机制形成气相离子。(6)

**图1**
图1. 电喷雾离子化质谱仪源的组成部分示意图，包括产生带电滴液的过程以及从这些带电滴液生成气相离子的离子蒸发过程。

表面活性的离子往往在ESI质谱中占主导地位，因为它们比其他离子更易占据最终生成气相离子的滴液表面位点；而溶解度良好的离子则可能被滴液中的反离子中和，因此无法被检测到。(7)

**质谱反应监测**
与其他一些软离子化技术（如基质辅助激光解吸离子化（MALDI）不同，ESI可以连续流动分析物，因此可用于监测分析物溶液随时间的变化。为此开发了一种称为加压样品注入（PSI）的技术，该技术实质上是将溶液直接从反应容器转移到电喷雾源中。(8,9) 为此类反应专门设计了反应烧瓶，可以在排除大气环境的情况下添加溶剂和试剂，从而研究对空气和湿气敏感的反应。典型的实验设置使用内径为0.125毫米的PEEK管，顶空压力为20–35千帕（kPa），可实现20–25微升/分钟的溶液流速，(9) 因此可以在小规模下进行反应并长时间监测而不会产生明显的体积损失。

典型的ESI质谱仪能够快速采集目标m/z范围内的单个扫描数据，通常每秒可以获取多次扫描。虽然一些常用于反应动力学监测的技术（如红外（IR）和紫外-可见光（UV–vis）光谱）也能达到这种数据采集速率，但它们无法提供与质谱相同的数据密度。虽然IR和UV–vis可以很容易地监测已知起始材料的消失或已知产物的形成，但ESI-MS能够通过m/z和同位素模式同时表征任何中间体、非循环物种和/或反应副产物，这使得该技术在反应动力学研究中极为强大。此外，由于m/z是质谱中信号重叠的唯一决定因素，因此可以使用PSI-ESI-MS对具有相同官能团和反应性但m/z不同的多种底物进行竞争实验。(10,11)

**ESI-MS中的电荷标记策略：理论**
本教程综述的核心是在配体和底物的背景下，将电荷标记策略应用于化学反应的实时分析。以下内容将解释这种方法的用途，并概述其理论和应用。

由于质谱只能分辨和检测带电物种，中性分析物必须在电喷雾过程之前或过程中获得电荷，如图2所示。通常，分析物通过与溶液中的正离子或负离子结合获得电荷，或在碱性介质中通过失去一个或多个质子而变为阴离子。对于含有路易斯碱性氧原子或氮原子的分析物，与H+或碱金属阳离子结合是常见的。银离子（如AgNO3或AgClO4）也可用于使分析物阳离子化，并在存在较弱的路易斯碱性位点时赋予阳离子电荷。(12) 尽管较少见，但也可以通过与中离子结合来衍生中性物种，这在金属羰基簇的质谱分析中得到了应用。(12) 某些特定分析物在流经电喷雾源的带电毛细管时也可能直接发生电化学氧化或还原，例如取代苯醌还原为氢醌自由基阴离子。(13) 图2中显示的所有过程都代表了分析物的化学修饰，尽管在这些情况下，这些修饰是作为电荷获取的方法。

**图2**
图2. ESI-MS中的离子化途径示例，包括通过失去或结合质子（a）、结合负离子或正离子（b）或单电子还原或氧化（c）。

许多含有低价过渡金属的中性有机金属配合物可以通过金属中心的单电子损失轻松电离，(14?16) 产生来自分子离子([M]+)的质量谱峰。然而，增加或减少金属中心的氧化态必然会改变配合物的电子性质，进一步的气相反应性研究（如MS/MS中的碰撞诱导解离反应）将反映新形成的分子离子的性质，而不是中性配合物的性质。在许多情况下，通过单电子损失进行电离并非获取电荷的最佳途径，因此无法获得分子离子的质谱。

虽然通过失去阴离子基团进行电离不会正式改变金属中心的氧化态，但它会使它们变得配位不饱和。在ESI-MS过程中，在金属中心产生空位可以促进进一步的反应性，这一现象已在铁五羰基金属-羰基簇的气相反应性研究中得到利用。(17) 另一个例子是从水合四氯铂(II)溶液中获得的ESI-MS谱图。在这种情况下，电喷雾过程中失去一个氯离子会在气相中产生一个能够与氮配位的空位，形成三氯(二氮)铂(II)离子([PtCl3(N2)]?)。(18) 通过这些例子可以看出，电喷雾离子化有可能显著改变有机金属物种的电子性质和配位环境。当ESI-MS研究专注于探究有机金属配合物的反应性时，尤其是催化多步骤转化时，避免之前提到的不同电离诱导的反应性是非常重要的。

通过用带有附加电荷的配体替换金属配合物中的中性配体，即“电荷标记”，电喷雾过程在ESI-MS中的作用不再包括目标物种的化学电离。相反，它只需通过电化学中和相关的反离子来促进它们进入气相，从而在生成的滴液中积累电荷。对于有机金属配合物，这种策略可以在不改变金属中心的空间或电子环境的情况下产生气相离子。(19) 通过配体修饰应用电荷标记策略是全面跟踪有机金属反应中金属中心反应性的最佳方法，尽管在反应监测中使用电荷标记化合物不仅限于标记配体。在监测有机金属反应时，通常使用带有电荷标记的底物而不是配体，例如在钯催化的交叉偶联反应的ESI-MS研究中使用电荷标记的芳基卤化物。(20?23) 此外，电荷标记策略在保持有机金属配合物的配位和电子环境方面的作用显而易见，但它还有许多更广泛的应用。一个好的电荷标记基团应能提供良好的电喷雾响应，从而能够同时监测离子丰度相差很大的物种，如反应产物和中间体。(24) 电荷标记还可以用于化学修饰那些在正常条件下电喷雾响应较差或无法通过ESI-MS分析的底物，从而使电荷标记策略适用于超出反应监测范围的分析类别。(25?28) 此外，用带电变体替换中性配体或底物可能对感兴趣的反应产生其他益处。通常这表现为将催化剂固定在与有机溶剂不混溶的水相或离子液体中。(29,30) 尽管较少见，但在某些情况下，电荷标记的底物可以通过有利的机制分析修改反应路径，例如在Morita–Baylis–Hillman反应中对离子液体效应的研究中。(31)

我们在图3中提供了一个流程图，帮助潜在用户决定如何使用ESI-MS研究给定系统。在许多情况下，不需要电荷标记（绿色），但在需要电荷标记的情况下（黄色到红色），了解所需的努力程度是有用的。达到流程图的终点代表了可能需要相当程度的合成工作。尽管很少有针对ESI-MS反应监测的具体多步骤合成的例子，但已经有很多关于离子标记配合物的复杂合成的报道。(32?37)

**图3**
图3. 顶部：帮助决策ESI-MS适用性的流程图。底部：与电荷标记相关的反应示例，包括通过胺或膦的烷基化生成阳离子（A）、从烷基亲电试剂和亚硫酸钠生成烷基磺酸盐（B）、从醇生成烷基亲电试剂（C）以及用发烟硫酸或硫酸对芳烃进行磺化（D）。

**ESI-MS中的电荷标记策略：设计**
在设计用于质谱分析的电荷标记配体或底物时，需要考虑几个特定属性。首先，带电化合物应能在尽可能接近中性等效物的条件下进行反应。虽然实时ESI-MS反应监测通常在比典型化学反应更稀释的浓度下进行，但保持其他变量（如溶剂和其他试剂的选择）的一致性是至关重要的。在某些情况下，将浓度降低到ESI-MS反应监测所典型的低微摩尔浓度会显著影响反应性能。此时，可以采用“失谐”策略来降低离子从溶液转移到质量分析器的效率，从而提高工作反应浓度，同时避免信号饱和。(9)其次，带有电荷标签的化合物必须具备一系列适合ESI-MS研究的特性。这些特性包括能够以非常高的纯度合成，在电喷雾过程中不易形成聚集的离子簇，以及在高电喷雾响应的同时相对容易从仪器源中冲洗掉。由于质谱仪几乎是共享设备，因此源污染是一个常见问题(38?41)，如果无法在分析后有效去除特定的离子，原本理想的带电荷标签的化合物可能会变得不可使用。虽然某种溶剂系统可能能够有效地将目标带电荷标签的离子从仪器源中去除，但也必须注意同时去除相关的反离子。例如，双(三苯基膦)亚胺阳离子([PPN]+)容易与有机磺酸盐形成结晶且可溶于有机溶剂的盐，但在我们的实验中，这类盐在ESI(+)模式下导致的源污染比在ESI(?)模式下更为严重。

第一步是考虑市场上可获得的含有满足上述要求的结构元素的试剂。可用作阳离子电荷标签反应底物的膦卤化物盐种类繁多，但阳离子膦配体的例子却很少。类似的，芳基磺酸盐和烷基磺酸盐或磺酸相对于含有磺酸基团的市售膦配体来说也较为少见。图4展示了一些可从化学供应商处获得的这类盐的例子。

图4. 市场上可获得的试剂示例，这些试剂符合带电荷标签的阴离子（左）或阳离子（右）探针的结构要求，除了可能需要离子交换的情况外。

虽然这类膦卤化物盐通常在极性有机溶剂（如甲醇和乙腈）中具有足够的溶解度，但强配位的卤素阴离子往往不适合用于有机金属反应监测。通过进行盐的交换反应，用弱配位的阴离子替换卤素阴离子不仅可以防止这种情况，还能产生在适度极性溶剂（如二氯甲烷和四氢呋喃）中溶解性更好的化合物。同样，对于芳基磺酸盐和烷基磺酸盐的钠盐也是如此，不过在适度极性溶剂中，含磺酸基团的配体存在被Na+从金属中心抽象出来的风险。

为了说明在需要新的带电荷标签化合物时通常会提出的一系列问题，建议参考图3所示的流程图。为了清晰起见，下面按离子电荷对合成方法进行了分类。在A的情况下，通过烷基化三级胺或膦来创建阳离子季铵中心通常是标记化合物的最简单方法。具有所需官能团的三级胺亲核试剂在N,N-二烷基苯胺中很常见，而具有所需官能团的三级膦的例子则较少见。此外，一级或二级胺的过烷基化可以使许多含有C–NH2或C–NHR片段的化合物成为可能的起始材料。在这种情况下，建议读者参考本教程中关于阳离子电荷标签的部分。用所需官能团官能化的亲电试剂的优势在于可以从中性的三级化合物轻松形成季铵盐或膦盐，但这些化合物也可以用于制备阴离子磺酸盐，如B所示，其中既涉及阳离子部分也涉及烷基磺酸盐阴离子部分。虽然超出了本综述的范围，但从醇制备亲电试剂的合成方法在合成中非常有用(42)。当市售的含有所需官能团的亲电试剂不可用时，建议考虑从醇开始的额外反应步骤。虽然方法D在化学上与芳基磺化兼容的底物选择上较为有限且风险较大，但在可能的情况下，芳基磺化是一种出色的电荷标记策略，并在其单独的小节中进行了讨论。如果这些方法都不能提供通向所需带电荷标签化合物的明显途径，则可能需要规划多步骤合成。尽管电荷标记反应通常被认为是合成的终点，但也可以通过功能化带电荷标签的化合物来开始合成。

由于带电荷标签的化合物是盐，它们由两个（或更多）离子组分组成。这些组分通常包括一个作为研究对象的带电离子，以及另一个不应参与化学反应的反离子。为了在通常为中等极性到极性的有机溶剂中获得良好的溶解度，一个或理想情况下两个离子都是弱配位的。弱配位的离子通过电荷离域、空间屏蔽或两者的结合，最小化了大多数盐所特有的扩展聚集离子结构，使有机溶剂能够溶剂化单个离子对(43?46)。图5展示了一些弱配位离子的示例。

图5. 弱配位阳离子（上）和阴离子（下）的示例。

一些离子主要通过带电原子的空间屏蔽而表现出弱配位性，例如四烷基铵离子，这种离子不利于离子的扩展聚集。其他离子如六氟磷腈盐则不是通过空间屏蔽，而是通过其电荷在多个原子上的离域而表现出弱配位性。例如，六氟锑酸盐在概念上是由氟离子和SbF5形成的加合物，由于其八面体几何结构，六个等价的Sb–F键每个氟原子分担了六分之一的总负电荷。其他这类离子则通过空间因素和电荷离域的结合而表现出弱配位性，如双(三苯基膦)亚胺阳离子和全氟烷氧铝酸盐(47)。

在适度极性的有机溶剂溶液中，许多弱配位离子对与其组成的阳离子和阴离子之间没有通过溶剂化壳层分离，这与水溶液中典型的无机盐不同。相反，在除了最极性的溶剂之外的所有溶剂中，它们通常以接触离子对的形式存在，没有显著的离子解离(48)。由于弱配位离子对之间的离子吸引力相对较弱，因此在电喷雾过程中电荷积累后，这些离子很容易被释放到气相中(7)。实际上，许多使离子表现出弱配位的性质也赋予了它们高电喷雾响应，其中含有三苯基膦部分的化合物尤为典型，因为它们具有电荷屏蔽和离域作用以及较高的结构刚性(7,49)。

带电荷标签的离子并不一定是化学惰性的，因此必须注意考虑与带电荷标签化合物中的离子相关的潜在反应途径。例如，弱配位的六氟磷酸根离子在烷基硅烷、某些阳离子金属配合物(51)和其他强路易斯酸（如三溴化硼)存在下可以作为氟化物供体(50)。此外，在使用含有烷基三苯基膦阳离子的带电荷标签化合物时，在非常强的碱存在下需要小心，因为这些碱可能会将其去质子化形成磷酰基化合物(52,53)。[Ph3PCH3]+阳离子在DMSO中的pKa值为22.4，比丙酮(26.5)或1,1,1-三氟乙醇(23.5)的酸性更强(54)。

在阴离子带电荷标签化合物中，带电基团几乎仅限于磺酸根阴离子([RSO3]?)，尽管类似的膦酸根二阴离子([RPO3]2–)的应用也有限(55)。这些阴离子带电荷标签化合物的一个特别重要的用途是在含有Pd(0)复合物的ESI-MS分析中(21,56)。在ESI(+)模式下，Pd(0)容易被氧化为Pd(I)，这会导致之前提到的监测问题，因此在这种情况下使用阴离子带电荷标签的化合物更为合适。含有芳基磺酸基团和烷基磺酸基团的化合物在合成上相对容易获得，尽管需要不同的反应条件。

芳基的磺化最常用浓硫酸或发烟硫酸（三氧化硫溶解在硫酸中的溶液）来进行(57)。三氧化硫是一种极强的亲电试剂(58)，甚至可以很容易地磺化电子贫乏的芳香体系，如硝基苯(59)。当芳基亲核试剂富电子时，仅用浓硫酸就可以实现磺化。二烷基联芳基膦配体sPhos是通过中性SPhos的磺化反应合成的(60)（方案1），尽管其合成初衷是使SPhos配体水溶性而不是ESI活性，但事实证明SPhos/sSPhos配体对非常适合用于Pd(0)的ESI-MS研究(56)。在本文讨论的大多数情况下，磺化的膦配体与[PPN]+阳离子结合，形成具有良好有机溶解性和结晶性的带电荷标签化合物。

图1. 从中性SPhos合成磺化二烷基联芳基膦配体sSPhos的方案。

当三芳基膦进行磺化时，会在形成芳基磺酸之前发生一个有益的反应，即分子中磷中心的质子化(方案2)。

图2. 三苯基膦单磺酸盐钠盐的合成。

解释磺化反应的区域选择性。由于最初对膦的质子化使得磺酸基团位于一个苯环的间位，从而防止了膦的孤对电子因共振离域到强吸电子（失活）的磺酸基团而显著减弱其供体能力(61)。因此，所得的三苯基膦单磺酸盐(TPPMS)阴离子是一个很好的带电荷标签模拟物，已被用于许多ESI-MS研究，包括气相中金属介导的脱羧反应的分析(62)。三苯基膦三磺酸盐(TPPPTS)的三钠盐是一个强烈的供体，比三苯基膦更具碱性，因此更容易发生大气和金属催化的溶液相氧化(63)。其他用于ESI-MS监测有机金属反应的磺化膦配体也是通过中性膦的磺化直接制备的，包括二磺化的Xantphos类似物(64)。正如sPhos的例子所示，文献中有许多其他磺化膦的例子，它们最初是为其他目的制备的，但也可以重新用于ESI-MS研究(65?69)。

使用发烟硫酸作为磺化试剂对芳基进行磺化是一个有益的方法，因为它反应容易进行且区域选择性可预测，任何过磺化都会受到第一个加入的磺酸基团的强烈失活作用的限制。然而，需要注意的是，发烟硫酸极具腐蚀性，与水剧烈反应，并会产生三氧化硫烟雾，这些烟雾在空气中会迅速形成浓密的硫酸雾。因此，尽管非常有用，但必须非常小心地处理。

阴离子烷基磺酸带电荷标签化合物可以通过使用亚硫酸钠(Na2SO3)作为亲核试剂，在混合有机/水系统中从相应的烷基卤化物轻松制备(55,70,71)。

图3. 从4-碘苯基溴和亚硫酸钠在混合有机/水溶液中合成钠(4-碘苯基)甲磺酸盐的方案。

经过盐的交换反应（通常使用[PPN]Cl）后，这些烷基磺酸盐表现出与芳基磺酸盐相同的良好有机溶解性和结晶性。因此，(4-卤代苯基)甲磺酸盐盐是用于有机金属反应监测的优良带电荷标签卤代芳烃，已被用于实时监测汞金属对通过氧化加成到芳基-I键形成的有机钯物种的影响(21)。

图4. 使用发烟硫酸作为磺化试剂的芳基磺化过程。从[PPN]+[I(C6H4)CH2SO3]?的C–I键中进行氧化加成反应得到的有机钯碘化物物种的反应性

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最后需要指出的是，虽然阴离子磺酸盐的PPN盐类具有良好的有机溶解性，适用于ESI-MS研究，但催化相关的磺酸盐的碱金属盐通常仍保持良好的水溶性，并且可以在水溶液中参与有机金属化学反应。(72–76) 因此，许多用于水相有机金属反应的磺酸化配体和底物实际上可以通过与不同的阳离子配对，轻松改造成带有阴离子电荷标签的物种。

阳离子电荷标签
阳离子电荷标签化合物的结构多样性比其阴离子对应物更广，已经展示了许多基于季铵和膦的物种的例子。尽管在芳烃的后期阴离子功能化方面没有像磺酸化那样方便的阳离子方法，但可用于合成不同阳离子电荷标签的方法范围更广。

季铵电荷标签化合物
季铵物种几乎完全通过亲核取代反应合成。与膦类化合物不同，来自三苯胺的季铵盐无法通过亲核取代反应合成。由于氮中心的孤对电子向苯环的离域，三苯胺作为亲核试剂的效果非常差，导致氮原子呈现非典型的三角平面几何结构。(77) 因此，常见的含季铵阳离子的电荷标签化合物通常是四烷基铵盐(78,79)或芳基三烷基铵盐(80,81)。四烷基铵盐可以通过用合适的碳亲电试剂对三烷基胺进行季铵化或通过烷基化功能化的胺前体来制备，区别在于亲核胺前体或碳亲电试剂中含有所需的官能团（图5）。

图5
图5. 两种常见的电荷标记铵化合物合成途径示例

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可以从含有所需官能团的胺（上图）或含有所需官能团的碳亲电试剂（下图）开始合成。

(4-乙烯基苯基)三甲基铵阳离子是通过4-乙烯基苄基溴与三甲基胺的亲核取代反应合成的电荷标记苯乙烯衍生物，被Chen用于研究基于钌的烯烃复分解催化剂的固有反应性。(82) 复合物中的中性苯亚甲基部分被该阳离子取代后，通过CID方法生成了配位不饱和的14电子钌物种，从而可以在气相中监测其与诺尔博烯的环开反应（图6）。

图6
图6. 使用季铵电荷标记的苯乙烯衍生物研究配位不饱和钌复合物与诺尔博烯的气相反应性

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当胺含有所需的官能团时，(4-碘苯基)二甲胺可以通过与甲基碘的烷基化反应季铵化，形成(4-碘苯基)三甲基铵离子。(20) Koszinowski利用这种阳离子电荷标记的芳基碘化物研究了钯(0)复合物对C–I键的氧化加成反应，并通过ESI-MS在气相中研究了生成的物种（图7）。

图7
图7. 通过季铵化功能化的芳基胺合成的阳离子电荷标记芳基碘化物及其与Pd(0)复合物的后续反应性

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在考虑使用N,N-二烷基苯胺进行阳离子电荷标记合成时需要谨慎，因为季铵化会显著改变所结合芳烃的电子性质。虽然关于氧化加成的研究仅使用电荷标记的芳基碘化物进行了出色的研究，但在这样的系统中将其与中性碘苯的反应速率进行比较可能会有问题，因为电子贫乏的电荷标记芳基碘化物会以更高的速率发生氧化加成。(20) 这种效应的原因是，尽管二烷基胺基团是常见的强电子给体，但添加另一个烷基基团后会使它们变成强电子吸引剂（图6）。

图6
图6. 二甲胺基、甲氧基、硝基和三甲基铵基团的Hammett参数，说明了季铵化对芳烃电子性质的显著影响

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季膦电荷标签化合物
在阳离子电荷标签中，含有季膦基团的化合物特别受欢迎。(84,85) 它们可以通过三苯基膦容易合成，其使用主要受限于制备所需骨架的合适烷基亲电试剂的可用性（图8，上图）。与基于铵的电荷标签类似，基于膦的电荷标签化合物也可以从同时含有膦亲核试剂和所需官能团的化合物开始合成（图8，下图）。

图8
图8. 两种常见的季膦化合物合成途径示例

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可以从含有所需官能团的碳亲电试剂（上图）或含有所需官能团的膦（下图）开始合成。

(2-二苯基膦基)苯基二苯基膦阳离子的合成将常见的双膦1,2-二(二苯基膦)乙烷(dppe)转化为带电荷标记的阳离子单齿膦配体。(86) 通过在三(三苯基膦)铑(I)氯化物中用这种电荷标记的膦配体替换一个三苯基膦配体，制备出了带电荷标记的威尔金森催化剂衍生物。通过CID，这种阳离子铑复合物可以失去一个三苯基膦配体，释放出一个配位位点，从而可以在气相反应中与丙烯结合（图9）。

图9
图9. 使用季膦电荷标记的膦配体研究铑(I)复合物与丙烯的气相反应性

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这种类型的亲核取代反应通常在甲苯中加热或回流条件下进行，因为产物膦卤化物的不溶性促使反应完成。在图8（下图）所示的可能发生过烷基化的情况下，在足够非极性的溶剂中进行反应也可以抑制过烷基化。根据此处概述的指南，设计合成方法以限制其他难以与目标物种分离的电荷标记副产物的形成是至关重要的。此外，在使用非活化烷基氯亲电试剂时，如果所需反应（与单亲核化合物的反应）较慢，可以在更极性的溶剂中使用催化或计量量的钠或钾碘化物来提高反应速率。(87,88)

图8（上图）所示的季膦标记诺尔博烯衍生物是最常见的阳离子电荷标记合成方法，是通过将(溴甲基)诺尔博烯亲电试剂与三苯基膦结合得到的。Chen还使用这种电荷标记的诺尔博烯衍生物研究了钌催化的烯烃复分解聚合（ROMP），在诺尔博烯单体消耗后以10摩尔%的比例加入（图10）。(89) 对含钌和电荷标记的诺尔博烯寡聚物进行ESI-MS分析后，证明了这类聚合的活性。

图10
图10. 使用三苯基膦标记的诺尔博烯衍生物作为封端剂，生成电喷雾活性的、带电荷标记的诺尔博烯活性ROMP寡聚物

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含有季膦基团的电荷标记化合物的另一个优点是可以通过31P核磁共振(NMR)光谱进行表征。烷基三苯基膦离子(约23 ppm)、游离三苯基膦(-6.8 ppm)和三苯基膦氧化物(25.6 ppm)的化学位移各不相同，(90) 可以轻松确认最终产物中不存在其他含磷物种。在监测有机金属催化反应时，如果电荷标记化合物中含有游离三苯基膦，可能会对反应产生不利影响。特别是在初始底物结合通过解离机制进行的情况下，游离三苯基膦会增加溶液中游离配体物种的浓度，从而减慢观察到的反应速率。三苯基膦氧化物还容易与ESI-MS分析的反应系统中的H+或Na+离子结合，产生高离子强度的物种(91)，这些物种可能作为显著污染物峰出现在质谱图中。

图7展示了在有机金属化学中使用电荷标记化合物可以获得的数据集示例，详细介绍了称为ESIMes的电荷标记N-杂环卡宾(NHC)配体的合成和用途。(92) 首先将电荷基团添加到有机骨架上，然后在合成的(but-3-烯基)三苯基膦六氟磷酸酯上进行进一步转化（图7a）。所得到的前体配体通过NMR光谱、X射线晶体学(图7b)和ESI-MS(图7c)进行了表征。当这种前体配体与碱和金属前体结合时（在这种情况下是通过首先从铜(I)溴化物制备二溴铜盐)，会形成可通过ESI-MS直接观察到的金属-NHC复合物(图7d)。图7e展示了通过PSI-ESI-MS实时监测的复合物形成动力学，以及[(ESIMes–H)(CuBr2)]+盐和生成的ESIMes–Cu–Br复合物的实验和理论同位素图谱叠加(图7f)。

图7
图7. (a) 电荷标记的NHC前体[ESIMes–H][PF6]2的合成。(i) PPh3 (1.2当量)，甲苯，回流，24小时，然后NaPF6，MeOH/H2O；(ii) Br2，1,2-二氯乙烷，室温，0.5小时；(iii) 2,4,6-三甲基苯胺(5当量)，纯溶剂，125°C，24小时；(iv) 三乙基原甲酸酯(10当量)，NH4PF6 (1当量)，HCOOH (催化剂)，3.5小时。(b) [ESIMes–H]2+阳离子的X射线结构，为了清晰显示仅显示了三苯基膦基团的ipso碳。(c) [ESIMes–H][PF6]2的ESI(+)-MS谱，显示了电喷雾过程中形成的双电荷前体([ESIMes–H])和单电荷NHC([ESIMes–H])的同位素图谱。(d) [ESIMes–H][PF6]2与铜(I)溴化物反应的示意图，形成[(ESIMes)CuBr]+。(e) 用PSI-ESI-MS收集的实时动力学数据，显示了[(ESIMes–H)(CuBr2)]+离子的消失和[(ESIMes)CuBr]+的形成。(f) [ESIMes–H)(CuBr2)]+盐和生成的[(ESIMes)CuBr]+复合物的实验和理论同位素图谱叠加

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使用PSI-ESI-MS收集的实时动力学数据为[ESIMes–H)(CuBr2)]+转化为[ESIMes–CuBr]+的反应提供了宝贵的机制洞察。动力学行为显示，起始物质[(ESIMes–H)(CuBr2)]+的消失与产物[ESIMes–CuBr]+的形成之间存在延迟。这与HBr的协同去除形成金属NHC复合物不同，这种延迟是具有ESI不可见的两性中间体的逐步反应的特征。

结论
电荷标记技术已经从解决电离挑战的便捷方法发展成为ESI-MS中的重要机制工具。通过在配体或底物中嵌入永久性的离子标签，实验者将ESI的功能从化学修饰剂转变为相转移装置，使得可以在最小干扰的情况下研究溶液相的物种分布。当设计得当时，电荷标记系统可以提供对瞬态中间体、催化剂静止状态和常规光谱技术无法检测到的循环外物种的访问。本综述中讨论的例子表明，这种策略的成功不仅取决于电荷的存在，还取决于其化学环境。反离子的选择、离子配对行为、聚集倾向、电喷雾电离响应以及与反应条件的兼容性都决定了电荷标记是否能增强机制的清晰度或引入新的干扰。弱配位离子、高合成纯度以及对潜在次级反应性的关注（例如，氟化物转移、亚胺形成、配体竞争）不是可选的改进措施，而是必要的设计标准。同样重要的是要认识到电荷标记不仅限于后期修饰。在许多情况下，以电荷标记的骨架开始合成序列可以扩大可访问的化学空间并简化下游的衍生化过程。

尽管电荷标记具有诸多优点，但它并不总是适用。季铵化的电子后果、磺酸化芳烃的反应性改变以及ESI-MS中的信号偏倚都要求仔细的控制和周到的实验设计。与中性类似物的比较研究、通过互补技术的验证以及对仪器污染的认识仍然是不可或缺的。最终，电荷标记的价值在于它能够使复杂的催化系统在实验上变得透明，当巧妙应用时，它使ESI-MS不仅能够检测离子，还能提供对反应路径的深入机制洞察。