质谱图ppt课件_1

质 谱 图 中药化学教研室 第一部分 概要 第二部分 质谱仪 第三部分 术语介绍 第四部分 有机质谱裂解规律 第五部分 色谱 -质谱联用介绍 第一部分 概要 内容介绍 定义 发展 如何看质谱图 有机质谱的特点 定义 气体分子 或固体、液体的 蒸气 受到一定能量 的电子流轰击或强电场作用， 丢失价电子生成 分子离子 ； 同时 ，化学键也发生某些有规律裂 解， 生成各种碎片离子 。这些带正电荷的离子 在电场和磁场的作用下， 按质荷比 （即质量与 电荷比值 m/e） 的大小分开 ，排列成谱，记录 下来即为质谱 (MS:Mass Spectroscopy) 发展 分子质量精确测定与化合物结构分析的重要工具 第一台质谱仪 -1912年； 早期应用 -原子质量、同位素相对丰度等； 上世纪 40年代： 高分辨率质谱仪 出现，有机化合 物结构分析； 上世纪 60年代末： 色谱 -质谱联用 仪出现，有机 混合物分离分析；促进天然有机化合物结构分析的 发展； 20世纪 70年代，出现了 场解吸（ FD） 离子 化技术，能够测定分子量高达 15002000Da 的 非挥发性 化合物，但重复性差。 20世纪 80年代初发明了 快原子质谱法 （ FAB-MS），能够分析分子量达数千的多肽 。 在 20世纪 80及 90年代，质谱法经历了两次 飞跃。在此之前，质谱法通常只能测定分子 量 500Da以下的小分子化合物。 随着生命科学的发展，欲分析的样品更加 复杂，分子量范围也更大，因此电 喷雾离子 化质谱法（ ESI-MS） 和 基质辅助激光解吸离 子化质谱法（ MALDI-MS） 应运而生。 API-MS:是可以和 液相色谱、毛细管电泳 等分离手段联用，扩展 了应用范围，包括药物代谢、临床和法医学、环境分析、食品 检验、组合化学、有机化学的应用等； MALDI-TOF-MS的特点是 对盐和添加物的耐受能力高 ，且测样 速度快，操作简单。 MS特点 （ 1） 应用范围广 。测定样品可以是无机物，也可以是有 机物。应用上可做化合物的结构分析、测定原子量与相对 分子量、同位素分析、生产过程监测、环境监测、热力学 与反应动力学、空间探测等。被分析的样品可以是气体和 液体，也可以是固体。 （ 2） 灵敏度高，样品用量少 。目前有机质谱仪的绝对灵 敏度可达 50pg（ pg为 10-12g），无机质谱仪绝对灵敏度 可达 10-14。用微克级样品即可得到满意的分析结果。 （ 3） 分析速度快，并可实现多组分同时测定 。 （ 4）与其它仪器相比，仪器结构复杂， 价格昂贵 ，使用 及维修比较困难。 (5)对样品有破坏性。 目前质谱技术已发展成为三个分支 ： l同位素质谱仪； l无机质谱仪； l有机质谱仪； 概要 有机质谱的特点 优点 : (1)定分子量准确，其它技术无法比。 (2)灵敏度高，常规 10-7-10-8g,单离子检测可 达 10-12g。 (3)快速，几分甚至几秒。 (4)便于混合物分析， LC/MS， MS/MS对于 难分离的混合物特别有效 , 其它技术无法胜任 。 (5)多功能，广泛适用于各类化合物。 局限性 : (1)异构体，立体化学方面区分能力差。 (2)重复性稍差，要严格控制操作条件。 所以不能象低场 NMR， IR等自己动手， 须专人操作。 (3)有离子源产生的记忆效应，污染等问 题。 (4)价格稍显昂贵，操作有点复杂。 第二部分 质谱仪 第一节 概述 第二节 电离源 第三节 质量分析器 第一节 概述 真空系统 质谱仪器中凡有样品分子和离子的地方必须抽成 真空状态，即质谱仪的离子源、质量分析器及检测 系统都必须处于真空状态下工作（ 一般为 1.33310- 4-1.333 10-6Pa ） 。 质谱仪的真空系统要求残余气体中不能留有对测 定不利的气体成分，要求本底小，否则空气中的氧 会烧坏离子源的灯丝 ；会引起 额外的 离子分 子反 应 ，使质谱复杂化，且干扰离子源中电子束的正常 调节，影响一起的分辨率； 真空度低会使本底增高，干扰质谱图。 进样 要求： 大气压下的样品要进入高真空的质 谱仪，而不影响仪器的真空度。 直接进样法（静态法） ：对纯的化合物来说，一 般为气体或挥发性液体，可直接进样导离子源室， 而不需要专用设备或器件，这类似于气相色谱中的 样品进样。 直接插入探针法： 对于挥发性很小的固体样品， 需将样品放在不锈钢杆或探针顶端的小杯内，将探 针通过样品加入口放进离子源中，然后加热离子源 直至固体挥发。 动态平衡法（色谱进样）： 对一些组分较复杂的 混合物时，需将样品分离成一个个单一组分，再进 入质谱仪。最典型的就是气相或液相色谱通过接口 与质谱连接。 （ 毛细管进样 -从气相色谱及液相色 谱柱） 进样方式 单聚焦质谱仪 质谱仪 进样系统 离子源 质量分析器 检测器 直接进样法（静态法） 直接插入探针法 动态平衡法（色谱进样 ） 电喷雾电离（ Electro spray ionization, ESI) 电子轰击电离（ electron impact, EI) 快原子轰击（ Fast atom bombardment, FAB) 化学电离（ Chemical ionization, CI) 大气压化学电离 （ atmospheric pressure chemical ionization, APCI) 离子阱 四极杆（ Q） 飞行时间（ TOF） 傅立叶回旋共振（ FTIR ） 第二节 电离源 电离方式及特点 在离子源中样品被电离成离子，不同性质 的样品可能需要不同的电离方式 EI电离使用具有一定能量的电子直接作用于样品 分子，使其电离。 用钨或铼制作的灯丝在高真空中发射出电子。 灯丝与电离盒之间的电压称为电离电压，对有机 化合物通常选用 70eV的电压。 远远小于生物有机分子的小分子 (400Da以下 )的检 测。 样品蒸气 离子源 电子轰击电离（ electron impact, EI) （细丝，灯丝） 排斥电极 靶阳极 EI的优缺点 优点 1.纳级的灵敏度 2.有达 10万个化合物的 数据库可快速检索 3.可根据碎片方式鉴定 未知物 4.从碎片离子判定结构 缺点 1.质量范围小 2.有可能汽化前发生解 离 3.碎片过多有时看不到 分子离子 化学电离（ Chemical ionization, CI) 化学电离 : 将样品气体和反应气体分子混合 （其中样品含量约 0.1），进入电离室后， 首先用电子轰击方式使反应气体电离，然后 反应气体与样品气体进行离子 -分子反应而使 样品气体电离，因此 样品的离子是由离子 -分 子反应产生的 。这样产生的离子能量较小， 故碎片较少 。 对于不稳定的有机化合物，可得到较强的 分子离子峰。 3）大气压化学电离 （ atmospheric pressure chemical ionization, APCI) 在大气压下，化学电离反应的速率更大， 电离效率应更高。 主要困难是将大气压力下产生的离子转移 到处于高真空（ 2000Da带多电荷 NANO-ESI喷雾照片 ESI特点 1、 ESI产生的 生物大分子离子 如多肽蛋白等常常带 10个以上电荷，使得 m/z大大减小，弥补了四极杆质量 分析器等质量范围窄的缺点。 2、质谱图显示的是离子带不同电荷数的一系列质荷 比峰，根据峰位置换算成质量数和电荷数。 ESI优缺点 优点 1、质量数可达 70， 000Da 2、灵敏度高达 femtomole级。 3、软电离，可观察生物分子非共价反 应。 4、易于和 LC串联，直接分析流速为 1ml/min的 LC洗脱液。 5、没有基质干扰。 6、适于联四极杆质量分析器、离子阱 质量分析器做结构分析。 7、带多电荷，允许质量范围窄的设备 检测高质量数的离子。 8、带多电荷，通过计算平均值给出更 精确的质量数。 9、特别适于测多肽的修饰。 10、样品前处理简单可直接分析 RP- HPLC脱盐处理的溶液。 缺点 1、耐盐能力低。 2、对某些化合物特别敏感，污染难 清洗。 3、样品需先气化，混合物不适用。 4、带多电荷，在分析混合物时，产 生混乱。 5、定量时需内校准。 ESI其他离子化方式 阳离子化 : 以非共价键结合的方式向中性分子加上正电荷。 尤其适合质子化不稳定的的分子，质子化是共价键结 合，电荷从质子向分子发生转移，这以过程会造成分 子的不稳定，使分子裂解。 阳离子化没有这一缺点，常用在 ESI离子方式中， 糖类非常适合这一电离方式，一般多加 Na+。 阴离子化 : 分子失去一个质子，带上正电荷，这种离子化方式 适合酸性物质，如酚类、羧酸和磺酸。 MALDI 激光解吸附离子源 Matrix- Assisted laser Desorption/Ionization MALDI源的出现解决了生物大分子的离子 化难题，离子化过程与 FAB有相似之处。 1、使用基质，但基质为固体。 2、 MALDI用脉冲激光束轰击样品和基质的共 结晶。 3、对基质的要求是能吸收 337nm紫外光并气 化，能量由基质传给样品使样品一起气化并离子 化。 常用基质 1、 氰基 -4羟基 -肉桂酸 CCA 多肽 2、 3,5-二甲氧基 -4-羟基肉桂酸 SA 蛋白 3、龙胆酸（ 2,5-二羟基苯甲酸 DHB 聚合物 4、吡啶甲酸 PA 5、 3羟基吡啶甲酸 3HPA MALDI源由氮激光器产生短周期脉冲激光，产生 的多为单电荷离子，效率很高，即使只有极少的样 品也可分析 常用基质结构 DHB SA CCA MALDI的优缺点 优点 1、质量数可达 300,000Da。 2、 attomole 至 femtomole 级灵敏度。 3、软电离方式，无或极少 碎片离子。 4、耐盐（样品含盐可达毫 摩尔浓度）。 5、适于分析复杂混合物。 缺点 1、分辨率低。 2、 1000Da以下基质峰干扰。 3、激光解吸附离子化有可能 使样品光降解。 4、串联质谱功能较弱，除非 接反射装置进行源后衰变测量。 5、不能分析非共价键相互作 用。 6、定量时需要内校准。 7、如没有反射飞行装置，不 能分析多肽修饰。 8、对各种赋形剂的容忍度低 （如 含磷酸缓冲液，大于 150mM 的盐等。 第三节 质量分析器 质量分析器的作用是将离子源中形成的离子按质荷比的大 小不同分开，质量分析器可分为静态分析器和动态分析器两 类。 静态分析器 采用稳定不变的电磁场（电磁场随时间改变， 只是为了记录质谱而不是分离原理所要求的），并且按照空 间位置把不同质量（ m/e）的离子分开。 属于这一类的仪器 有单聚焦磁场分析器和双聚焦磁场分析器 。 动态分析器 采用变化的电磁场，按照时间或空间来区分质 量不同的离子。属于这一类的仪器有飞行时间质谱仪、四极 滤质器等。 （四极滤质器） （离子阱） （飞行时间） 动态质谱仪 静态质谱仪 质量分析器的分类 ： 双聚焦扇形磁场 -电场串联仪器 (sector). 四极质谱仪 (Q). 飞行时间质谱仪 (TOF). 离子阱质谱仪（ TRAP） 付利叶变换 -离子回旋共振质谱仪 (FT-ICRMS). 四极 +TOF（ Q-TOF） 串列式多级质谱仪 三重四极（ QqQ） (MS/MS) TOF+TOF 进行串联质谱仪器从原理上可分为两类 第一类仪器利用质谱在 空间中的顺序 ， 是由两台质谱仪串联组装而成。即前面列 出的串列式多级质谱仪。 第二类利用了一个质谱仪 时间顺序 上的 离子储存能力，由具有存储离子的分析器 组成，如离子回旋共振仪（ ICR）和离子 阱质谱仪。但不能进行母离子扫描或中性 丢失。 A、四极杆质量分析器（ Quadrupole Analyzer） A、 B极性相反，加上一个直流电压 DC，叠 加一个射频电场 RF，扫描时固定 RF频率， DC ： RF保持比率不变，数值递增，使 m/z小到大 的离子依次通过，取得一张完整的质谱图。 DC+RF 四极杆质量分析器的优点 四极杆质量分析器通常与 EI、 ESI源联接 1、能容忍相对低的真空度（约 10x10Torr ） 2、 m/z可达 3000， ESI离子源产生的多电荷 生物分子离子 m/z正好多在 3000以内。 3、开销低廉。 B、离子阱质量分析器 三维的四极杆， RF加在环形电极上。 环形电极 三 维 的 四 极 杆 ， R F加 在 环 形 电 极 上 。 C、飞行时间质量分析器 Time-of-Flight Analyzer 离子的 E=UZ=mv 飞行时间 t= t=const L v m z Uref 反射飞行时间质量分析器 (RETOF-MS) 特点： 1) TOF对真空度的要求非常高 10-7Torr 2) MALDI源一般同时联接 Time-of-Flight Analyzer和 RETOF D、傅立叶回旋共振质量分析器 fourier Transform-Ion Cyclotron Resonance（ FTIR） 质量精度最高，达 0.001 几种质量分析器的比较 质量分析器 典型的质量范 围及回应 优点 缺点 四极杆 m/z 3000 响应 2000 耐高压；适合电子扫描；正 负离子均可；小分子检 测，相对便宜 质量范围在 3000左右；对于 MADLDI源不适合 离子阱 m/z 2000 响应 1500 小分子；中度回应；样品设 计，消耗低； 适合于多级质谱检测（ MSn ， n 4）； 正负离子均可 仅限于商业，然而 磁检测器 m/z 20000 响应 15000 最高的质量检测范围；扫描 速度快；样品设计；消 耗低； 适合于 MALDI； 响应低；难于适合电喷雾。 飞行时间 m/z 响应 1500 较好的响应；快的扫描速度 ；样品设计；消耗低 较好的响应范围限制了 m/z的范围 ； 精密度比 TOF低 富利叶转换 FT-MS m/z 10000 响应 30000 高响应；适合于多级串联质 谱（ MSn， n 4） 高真空度（ 10-7Torr）； 较高的响应；仪器贵重 第三部分 术语介绍 术语介绍 分子离子 碎片离子 亚稳离子 同位素离子 重排离子 氮规则 术语 分子离子（ 1） 分子离子： 分子失去一个电子形成分子离子 ，其质谱峰称为分子离子峰 （ 1）分子离子形成 样品分子失去一个电子而形成的离子称为 分子离子。所产生的峰称为分子离子峰或称母 峰，一般用符号 表示。其中 “+”代表正离子 ， “ ”代表不成对电子。如： 分子离子峰的 m/z就是该分子的分子量。 术语 分子离子（ 1） 对于有机物： 1）杂原子上未共用电子（ n电子）最 易失去； 2） 电子 3） 电子 所以对于含有 O、 S、 N等 杂原子 的 分子，杂原子首先失去一个电子而 形 成分子离子 ；此时正电荷在杂原子上 O、 N上的 “+”表示一对未共用电子对失去一 个电子而形成的分子离子。 术语 分子离子（ 1） 含有双键、无杂原子的分子离子，正电荷处于 双键的一个 C原子上： 当难以判断分子离子的电荷位置时可以用 “”表示+. （ 2） 形成分子离子时电子失去的难易程度及表示方法 杂原子 C=C CC CH 易 难 术语 分子离子 （ 1） （ 3）分子离子峰的强度与结构的关系 分子离子峰的强度与结构的关系有如下规律： a 碳链越长，分子离子峰越弱； b 存在支链有利于分子离子裂解，故分子离子峰很弱 ； c 饱和醇类及胺类化合物的分子离子弱； d 有共振系统的分子离子稳定，分子离子峰强； e 环状分子一般有较强的分子离子峰 术语 分子离子 （ 1） 综合上述规律， 有机化合物在质谱中 的分子离子的稳定性 （即分子离子峰的强 度）有如下顺序： 芳香环共轭烯烯环状化合物羰 基化合物醚酯胺酸醇高度分 支的烃类。 术语 分子离子 （ 1 ） （ 4）分子离子峰的识别方法 （ i）注意 m/z值的奇偶规律： 只有 C、 H、 O组成的有机化合物，其分 子离子峰的 m/z一定是偶数。 在含氮的有机化合物（ N的化合价为奇 数）中， N原子个数为奇数时，其分子离子峰 m/z一定是奇数； N原子个数为偶数时，则分子 离子峰 m/z一定是偶数。 术语 分子离子 （ 1） （ ii）同位素峰对确定分子离子峰的贡献 利用某些元素的同位素峰的特点（在 自然界中的含量），来确定含有这些原子的 分子离子峰。 （ iii）注意该峰与其它碎片离子峰之间的质 量差是否有意义 通常在分子离子峰的左侧 3 14个质 量单位处，不应有其他碎片离子峰出现。 碎片离子是由于分子离子进一步裂解产生的。 生成的碎片离子可能再次裂解，生成质量更小的碎片 离子，另外在裂解的同时也可能发生重排，所以在化 合物的质谱中，常看到许多碎片离子峰。碎片离子的 形成与分子结构有着密切的关系，一般可根据反应中 形成的几种主要碎片离子，推测原来化合物的结构 术语 碎片离子（ 2 ） 术语 -亚稳离子 （ 3 ） 质谱中的离子峰，不论强弱，绝大多数都是尖锐 的，但也存在少量较宽（一般要跨 25个质量单位）， 强度较低，且 m/z不是整数值的离子峰，这类峰称为亚 稳离子（ metastable ion）峰。 （ 1）亚稳离子的产生 正常的裂解都是在电离室中进行的，如质量为 m1 的母离子在电离室中裂解： m1+ m2+ 中性碎片 生成的碎片离子就会在质荷比为 m2的地方被检 测出来。但如上述的裂解是在 m1+离开了加速电场， 进入磁场时才发生，则生成的碎片离子的能量要小于 正常的 m2+。因它在加速电场中是以 m1的质量被加速 ，而在磁场中是以 m2的质量被偏转，故它将不在 m2处 被检出，而是出现在质荷比小于 m2的地方，这就是产 生亚稳离子的原因。一般亚稳离子用 m*来表示。 m1、 m2、和 m*之间存在下列关系： m* = m22 / m1 术语 -亚稳离子 （ 3 ） （ 2） 亚稳离子的识别 a 一般的碎片离子峰都很尖锐，但亚稳离子峰钝而小； b 亚稳离子峰一般要跨 25个质量单位； c 亚稳离子的质荷比一般都不是整数。 术语 -亚稳离子 （ 3 ） （ 3）亚稳离子峰在解析质谱中的意义 亚稳离子峰的出现，可以确定 m1+ m2+ 的开 裂过程的存在。但须注意，并不是所有的开裂都会产生 亚稳离子。所以，没有亚稳离子峰的出现并不能否定某 种开裂过程的存在 术语 -亚稳离子 （ 3 ） 术语 -同位素离子（ 4 ） 同位素峰 (isotope ion peak)： 在质谱中由不 同质量的同位素形成的峰，称为同位素离子 峰。同位素峰的强度比与同位素的丰度比是 相当的。 M+1, M+2峰等 在一般有机化合物分子鉴定时，可以通过同位素 的统计分布来确定其元素组成，分子离子的同位素离子 峰相对强度比总是符合统计规律的。如在 CH3CI、 C2H5CI等分子中 CIm+2/CIm=32.5%，而在含有一个溴原 子的化合物中 (M+2)+峰的相对强度几乎与 m+ 峰的相等 。同位素离子峰可用来确定分子离子峰。 术语 -同位素离子 （ 4 ） 142 140 127 125 10571 158156 7751 110108 95938179 27 66 64 51 49 29 28 29C2H5Cl C2H5Br BrCl C2H5 术语 -同位素离子（ 4） 术语 -同位素离子（ 4 ） (1+1) (1+1)2 (1+1)3 (1+1)4 81Br/79Br=97.9:100 1:1 1:1 1:2:1 1:3:3:1 1:4:6:4:1 术语 -同位素离子（ 4） 二连峰强度比为 3:1 三连峰强度比为 9： 6： 1 术语 -同位素离子（ 4 ） 术语 -重排离子（ 5） 重排离子是由原子迁移产生重排反应 而形成的离子。 重排反应中，发生变化的化学键至少 有两个或更多。 重排反应可导致原化合物碳架的改变 ，并产生原化合物中并不存在的结构单 元离子。 术语 -重排离子 （ 5 ） 分子离子裂解为碎片离子时，有些碎片离子不仅仅 通过简单的键的断裂，而且还通过分子内原子或基团 的重拍后裂分而形成的，这种特殊的碎片离子称为重 排离子。 又如，当与化合物中 C=X(eg. C=O)基团相 连的键上有三个以上的碳原子，且 位上有 H 原子存在 时，该 H原子易于向缺电子的原子 转移，从而 脱去一个中性分子 。例如： 术语 -重排离子（ 5） 含有双键的化合物如，醛，酮，链烯，酰 胺，腈，酯，芳香化合物等均可出现此类重 排 (McLafferly rearrangement) 。 术语 -重排离子（ 5） 术语 -氮规则（ 6 ） 当分子中含有偶数个氮原子或不含氮原子时 , 分子 量应为偶数； 当分子中含有奇数个氮原子时 , 分子量应为奇数。 试 判断下列化合物的分子离子峰的质荷比是偶数还是奇 数？ 第四部分 有机质谱裂 解规律 裂解方式 各类有机化合物裂解规律 质谱图的解析 质谱解析实例 （自学为主） 1. 碎片离子和重排离子 断裂方式： 半裂解：已电离的 键的裂解。 a. 醛酮等化合物的 a-裂解 1) 产生氧正离子、氮正离子、卤正离子的裂解 a-裂解 : 带电荷的有机官能团与相连的 碳原子之间的裂解。 b. 醇、醚、胺和卤代烷等化合物的 裂解 裂解： 与带电荷的有机官能团相连的 碳原子与 碳原子 之间的裂解。 b. 烷基芳烃类化合物的裂解 c. 烷烃类化合物的裂解 a. 烯烃类化合物的裂解 2) 产生碳正离子的裂解 d. i-裂解产生碳正离子 Hexane 2-methylbutane Neopentane 3) 脱去中性分子的裂解 RDA反应 Mclafferty rearrangement(麦氏重排 ) 分子中有不饱和基团和 氢原子的化合物能发生麦氏重排。 氢原子重排到不饱和基团上 (通过六元环状过渡态 )，同时 伴随 , 原子间的键断裂。 例： 2-戊酮在 m/e 58 处有一个吸收峰，该峰是 Mclafferty重 排裂解产生的碎片离子峰，试写出其裂解过程。 1. 某胺类化合物其质谱图上于 m/e30处有一强峰 , 试问其结构 可能为下列化合物中的哪一个？试写出其裂解过程。 2. 3-甲基 -2-戊酮在 m/e72处有一吸收峰 , 该峰是 Mclafferty重排 裂解产生的碎片离子峰，试写出其裂解过程。 3. 某醛质谱图中 m/e 44 处有一个强峰，试问其结构可能是 下列哪一个化合物？ 4. 某酮分子式 C10H12O， 其质谱图给出 m/e值为： 15、 43、 57、 91、 105、 148。试写出此化合物的结构。 五 . 利用质谱和其它谱确定化合物结构 1) 分子式为 C6H12O的酮 (A)、酮 (B)， 它们的质谱图如下， 试确定酮 (A)与酮 (B)的结构。 （ A） （ B） 某未知化合物的分子式 C9H10O2, 其质谱 ,红外 ,核磁数据 如下图所示 . 它的紫外光谱数据 ： 268, 264, 262, 257 252nm(max 101, 158, 147, 194, 153)。 试推断其结构。 丰 度 % m/e 91 10843 (ppm) 波长 (m) 吸 光 度 二、各 类有机化合物的质谱 2.1 烃类化合物的质谱 1. 烷烃 直链烷烃： 1）显示弱的分子离子峰。 2）由一系列峰簇组成，峰簇之间差 14个单位。 （ 29、 43、 57、 71、 85、 99 ） 3）各峰簇的顶端形成一平滑曲线，最高点在 C3或 C4。 4） 比 M+. 峰质量数低的下一个峰簇顶点是 M-29。 而有甲基分枝的烷烃将有 M-15， 这是 直链烷烃 与带有甲基分枝的烷烃 相区别的重要标志。 支链 烷烃： 1）分枝烷烃的分子离子峰强度较直链烷烃降低。 2）各峰簇顶点不再形成一平滑曲线，因在分枝处易 断裂，其离子强度增加。 3）在分枝处的断裂，伴随有失去单个氢原子的倾向， 产生较强的 CnH2n 离子。 4） 有 M-15 的峰。 环烷烃： 1）由于环的存在，分子离子峰的强度相对 增加。 2）常在环的支链处断开，给出 CnH2n-1 峰 ，也常伴随氢原子的失去，因此该 CnH2n-2 峰较强。（ 41、 55、 56、 69 ） 3）环的碎化特征是失去 C2H4 （也可能失 去 C2H5）。 2. 2烯烃 1）由于双键的引入，分子离子峰增强。 2）相差 14的一簇峰，（ 41 14 n） 41、 55、 69、 83 。 3） 断裂方式有 断裂； -H、 六元环、麦氏重排。 4）环烯烃及其衍生物发生 RDA 反应。 2.3.芳烃 1）芳烃类化合物稳定，分子离子峰强。 2）有烷基取代的，易发生 C C 键的裂解，生成的苄基离子往 往是基峰。 91 14 n 苄基苯系列。 3）也有 断裂，有多甲基取代时，较显著。 4）四元环重排； 有 -H， 麦氏重排； RDA 裂解。 5）特征峰： 39、 51、 65、 77、 78、 91、 92、 93 2.4 醇、酚、醚 1.醇 1） 分子离子峰弱或不出现 。 2） C C 键的裂解生成 31 14 n 的含氧碎片离子峰。 伯醇： 31 14 n ; 仲醇： 45 14 n ; 叔醇： 59 14 n 3） 脱水： M 18 的峰 。 4） 似麦氏重排：失去烯、水； M 18 28 的峰 。 5）小分子醇出现 M 1 的峰。 1） 分子离子峰很强。 苯酚的分子离子峰为基峰。 2） M 1 峰。苯酚很弱，甲酚和苯甲醇的很强。 3）酚、苄醇最主要的特征峰： M 28 （ CO） M 29（ CHO） 2.酚（或芳醇） 3. 醚 脂肪醚： 1）分子离子峰弱。 2） 裂解及碳 -碳 键断裂，生成系列 CnH2n+1O 的 含氧碎片峰。（ 31、 45、 59 ） 3） 裂解，生成一系列 CnH2n+1 碎片离子。 （ 29、 43、 57、 71 ） 芳香醚： 1） 分子离子峰较强。 2）裂解方式与脂肪醚类似，可见 77、 65、 39 等苯的特 征碎片离子峰。 4 硫醇、硫醚 硫 醇与硫醚的 质谱与相应的醇和醚的质谱类似，但 硫醇和硫醚 的分子离子峰比相应的醇和醚要强。 1. 硫醇 1）分子离子峰较强。 2） 断裂，产生强的 CnH2n+1 S 峰 ，出现含硫特征碎片离子峰。 （ 47+14 n ； 47、 61、 75、 89 ） 3） 出现（ M 34） ( SH2)， （ M 33） ( SH)， 33（ HS+） , 34（ H2S+） 的峰。 2.硫醚 1）硫醚的分子离子峰较相应的硫醇强。 2） 断裂、碳硫 键裂解生成 CnH2n+1S+ 系列含硫的 碎片离子。 2.5. 胺类化合物 1.脂肪胺 1） 分子离子峰很弱；往往不出现。 2）主要裂解方式为 -断裂和经过四元环过渡态的氢重排。 3）出现 30、 44、 58、 72 系列 30 14 n 的含氮特征碎片离子峰。 2.芳胺 1） 分子离子峰很强，基峰。 2）杂原子控制的 断裂。 2.6 卤代烃 脂肪族卤代烃的分子离子峰弱，芳香族卤代烃的分子离子峰强 。 分子离子峰的相对强度随 F、 Cl、 Br、 I 的顺序依次增大。 1） 断裂产生符合通式 C nH2nX+ 的离子 2） 断裂，生成（ M X ） +的离子 注意： 可见 （ M X ） +,（ M HX） +, X+, CnH2n , CnH2n+1 系列峰。 19 F 的存在由（ M 19），（ M 20） 碎片离子峰来判断。 127 I 的存在由（ M 127）， m/z 127 等碎片离子峰来判断。 Cl、 Br 原子的存在及数目由其同位素峰簇的相对强度来判断 。 3）含 Cl、 Br 的直链卤化物易发生重排反应，形成符合 CnH2nX+ 通式的离子 2.7 羰基化合物 A） . 醛 脂肪醛： 1）分子离子峰明显。 2） 裂解生成 (M 1) ( H. )， ( M 29) ( CHO) 和强的 m/z 29（ HCO+） 的离子峰；同时伴随有 m/z 43、 57、 71 烃类的特征碎片峰。 3） -氢重排，生成 m/z 44（ 44 14n） 的峰。 芳 醛： 1）分子离子峰很强。 2） M 1 峰很明显。 B. 酮 1） 酮 类 化合物分子离子峰较强。 2） 裂解（优先失去大基团） 烷系列： 29 14 n 3) -氢重排 酮的特征峰 m/z 58 或 58 14 n C. 羧酸类 脂肪酸： 1）分子离子峰很弱。 2） 裂解 出现 (M 17) (OH)， (M 45) (COOH)， m/z 45 的峰及烃类系列碎片峰。 3） -氢重排 羧酸特征离子峰 m/z 60 （ 60 14 n ） 4） 含氧的碎片峰 （ 45、 59、 73 ） 芳酸： 1）分子离子峰较强。 2）邻位取代羧酸会有 M 18（ H2O） 峰。 D. 酯 类 化合物 1）分子离子纷纷较弱，但可以看到。 2） 裂解，强峰 （ M OR） 的峰 ，判断酯的类型；（ 31 14 n ） （ M R） 的峰， 29 14 n； 59 14 n 3） 麦氏重排，产生的峰： 74 14 n 4） 乙酯以上的酯可以发生双氢重排，生成 的峰： 61 14 n E、酰胺类化合物 1）分子离子峰较强。 2） 裂解； -氢重排 F. 氨基酸与氨基酸酯 小结： 羰基化合物中各类化合物的麦氏重排峰 醛、酮： 58+14 n 酯： 74+14 n 酸： 60+14 n 酰胺： 59+14 n 7 质谱图中常见碎片离子及其可能来源 三、 质 谱图的 解析 （ 一）质谱图解析的方法和步骤 1.校核质谱谱峰的 m/z值 2.分子离子峰的确定 3.对质谱图作一总的浏览 分析同位素峰簇的相对强度比及峰形，判断是否有 Cl、 Br S、 Si、 F、 P、 I 等元素。 4.分子式的确定 (N规则 )-计算不饱和度 5.研究重要的离子 （ 1）高质量端的离子（第一丢失峰 M 18 OH） （ 2） 重排离子 （ 3）亚稳离子 （ 4）重要的特征离子 烷系： 29、 43、 57、 71、 85. 芳系： 39、 51、 65、 77、 91、 92、 93 氧系： 31、 45、 59、 73（醚、酮） 氮系： 30、 44、 58 6.尽可能推测结构单元和分子结构 7.对质谱的校对、指认 （二）质谱解析实例（自学为主 ） 1. 请写出下列化合物质谱中基峰离子的形成过程。 1， 4-二氧环己烷 基峰 离子 m/z 28 可能的形成过程为： 2-巯基丙酸甲酯 基峰离子 m/z 61 可能的形成过程为： E-1-氯 -1-己烯 基峰离子 m/z 56 可能的形成过程为： 2.试判断质谱图 1、 2分别是 2-戊酮还是 3-戊酮的质谱 图。写出谱图中主要离子的形成过程。 解：由图 1 可知， m/z 57 和 m/z 29 很强，且丰度相当。 m/z 86 分子离子峰的质量比最大的碎片离子 m/z 57 大 29 u ， 该质量差 属合理丢失，且与碎片结构 C2H5 相符合。所以，图 1 应是 3-戊酮 的质谱， m/z 57、 29 分别由 -裂解、 -裂解产生。 由图 2可知，图中的基峰为 m/z 43， 其它离子的丰度都很低， 这是 2-戊酮进行 -裂解和 -裂解所产生的两种离子质量相同的结果 。 3. 未知物质谱图如下，红外光谱显示该未知物在 1150 1070 cm-1有强吸收，试确定其结构。 解：从质谱图中得知以下结构信息： m/z 88 为分子离子峰； m/z 88 与 m/z 59质量差为 29u， 为合理丢失。且丢失的可能 的是 C2H5 或 CHO； 图谱中有 m/z 29、 m/z 43 离子峰，说明可能存在乙基、正丙 基或异丙基； 基峰 m/z 31为醇或醚的特征离子峰，表明化合物可能是醇或 醚。 由于红外谱在 1740 1720 cm-1 和 3640 3620 cm-1无吸收，可否 定化合物为醛和醇。因为醚的 m/z 31 峰可通过以下重排反应产生： 据此反应及其它质谱信息，推测未知物可能的结构为： 质谱中主要离子的产生过程 4. 某化合物的质谱如图所示。该化合物的 1H NMR 谱 在 2.3 ppm 左右有一个单峰，试推测其结构。 解：由质谱图可知： 分子离子峰 m/z 149是奇数，说明分子中含奇数个氮原子 ; m/z 149与 相邻峰 m/z 106 质量相差 43u， 为合理丢失，丢 失的碎片可能是 CH3CO 或 C3H7; 碎片离子 m/z 91 表明，分子中可能存在 苄基 结构单元。 综合以上几点及题目所给的 1H NMR图谱数据得出该化合物 可能的结构为 质谱图中离子峰的归属为 5.一个羰基化合物，经验式为 C6H12O， 其质谱见 下图，判断该化合物是何物。 解 ；图中 m/z = 100的峰可能为分子离子峰，那么它的分 子量则为 100。图中其它较强峰有： 85， 72， 57， 43等。 85的峰是分子离子脱掉质量数为 15的碎片所得，应为甲基。 m/z = 43的碎片等于 M-57， 是分子去掉 C4H9的碎片。 m/z = 57的碎片是 C4H9 或者是 M-Me-CO。 根据酮的裂分规律可初步 判断它为甲基丁基酮，裂分方式为： 以上结构中 C4H9可以是伯、仲、叔丁基，能 否判断？图中有一 m/z = 72的峰，它应该是 M-28， 即分子分裂为乙烯后生成的碎片离子 。只有 C4H9为仲丁基，这个酮经麦氏重排后 才能得到 m/z = 72的碎片。若是正丁基也能 进行麦氏重排，但此时得不到 m/z = 72的碎 片。 因此该化合物为 3-甲基 -2-戊酮。 6. 试由未知物质谱图推出其结构。 解：图中最大质荷比的峰为 m/z 102， 下一个质荷比的峰为 m/z 87， 二者相差 15u， 对应一个甲基，中性碎片的丢失是合 理的，可初步确定 m/z 102为分子离子峰。 该质谱分子离子峰弱，也未见苯环碎片，由此可知该化合 物为脂肪族化合物。 从 m/z 31、 45、 73、 87的系列可知该化合物含氧且为醇、醚 类型。由于质谱图上无 M 18等有关离子，因此未知物应为 脂肪族醚类化合物。结合分子量 102可推出未知物分子式为 C6H14O。 从高质量端 m/z 87及强峰 m/z 73可知化合物碎裂时失去甲基 、乙基（剩下的含氧原子的部分为正离子）。 综上所述，未知物的可能结构有下列两种： m/z 59、 45分别对应 m/z 87、 73失 28u， 可设想这是经四员环氢 转移失去 C2H4 所致。由此可见，未知物结构式为（ a）， 它产 生 m/z 59、 45的峰，质谱中可见。反之，若结构式为（ b）， 经 四员环氢转移将产生 m/z 45、 31的峰，而无 m/z 59， 但质谱图中 有 m/z 59，而 m/z 31很弱，因此结构式（ b） 可以排除。 下面分析结构式（ a） 的主要碎裂途径： 7. 试由质谱图推出该未知化合物结构。 解：从该图可看出 m/z 228 满足分子离子峰的各项条件，可考虑它 为分子离子峰。 由 m/z 228、 230； 183、 185； 169、 171 几乎等高的峰强度比可 知该化合物含一个 Br。 m/z 149 是分子离子峰失去溴原子后的碎片离子，由 m/z 149 与 150 的强度比可估算出该化合物不多于十个碳原子，但进一步推出 元素组成式还有困难。 从 m/z 77、 51、 39 可知该化合物含有苯环 。 从存在 m/z 91，但强度不大可知苯环被碳 原子取代而非 CH2基团。 m/z 183为 M-45， m/z 169 为 M-45-14， 45与 59u 很可能对应羧基 -COOH 和 -CH2-COOH 。 现有结构单元 ： 加起来共 227 质量单位，因此可推出苯环上取代的为 CH， 即该 化合物结构为： 其 主要碎化途径如下： 第五部分 色谱 - 质谱联用 质谱：纯物质结构分析 色谱：化合物分离 色谱 -质谱联用：共同优点 GC-MS； LC-MS； CZE-MS （ 毛细管电泳 -质谱） 困难点： 载气 (或流动液 )的分离； 出峰时间监测； 仪器小型化； 关键点：接口技术 (分子分离器 ) 色谱质谱联用仪 3.3.1 GC-MS联用仪器 Sample Sample 5890 1.0 DEG/MI N HEWLETT PACKARD HEWLETT PACKARD 5972A Mass Selective Detector D C B A A B C D Gas Chromatograph (GC) Mass Spectrometer Separation Identification B A C DA D B C MS 要使气相色谱和质谱仪器联用，首先要解决的问题是气 压问题。色谱柱出口压通常是常压，而质谱仪在正常工作 压力是高真空，故二者无法相接。必须采用一个连接器， 用来除去载气，以降低气相色谱流出物的气压并富集试样 ，以达到质谱仪的工作要求。 如果色谱仪使用填充柱，必须经过一种接口装置 分 子分离器，将色谱载气去除，使样品气进入质谱仪； 如果色谱仪使用毛细管柱，则可以将毛细管直接插入质 谱仪离子源，因为毛细管载气流量比填充柱小很多，不会 破会质谱仪真空。 在 GC/MS分析中，常用的离子源有电子轰 击离子源（ EI），化学电离源（ CI）， EI/CI 复合源，场致电离源（ FI），大气压化学电 离源（ APCI）等。 仪器结构 色谱 -四极杆质谱仪结构示意图 四极杆质量分离器 仪器与结构 2 LC-MS液质联用仪 大多数高效液相色谱的组分 是非挥发性的 或热分解性的 ，这使得由液相转化为气相的 任务更具有挑战性，尤其是要保证组分的完 整性。 最常用的三种连接方式是热喷雾 (TSP）法 、电喷雾（ ESI）法和大气压电离（ APCI） 法。 LC-MS分析条件的选择 1.电离源的选择 ESI和 APCI在实际应用中表现出它们各自 的优势和弱点。 ESI适合于 中等极性到强极性的化合物分子 ，特别是那些 在溶液中能预先形成离子的化合物和可以获得多个质子的 大分子（蛋白质）。只要有相对强的极性， ESI对小分子的 分析常常可以得到满意的结果。 APCI不适合多电荷的大分子分析，它的优势在于 非极性 或中等极性的小分子的分析 。 电离方式： ESI采用离子蒸发方式使样品分子电离； APCI电离是放电探针促使溶剂和其它反应物电离 、碰撞及电荷转移等方式形成了反应气等离子区， 样品分子通过等离子区时，发生了质子转移。 样品流速 ： APCI源允许的流量相对