质谱分析图谱解析

第三章 质谱图分析 3.1 确定分子量与分子式 质谱中分子离子峰的识别及分子式的确定是至关重要的 3.1.1 分子离子峰的识别 假定分子离子峰 : 高质荷比区 ,RI 较大的峰 (注意：同位素峰 ) 判断其是否合理 : 与相邻碎片离子 (m/z 较小者 )之间关系是否合理 1 2 3 15 16 17 18 20 丢失 H. H2 H2+ H. .CH3 O. or NH2 OH. H2O HF = 414, 2124, 3738 通常认为是不合理丢失 判断其是否符合 氮 律 不含 N或含偶数 N的有机分子 , 其分子离子峰的 m/z（即分子量）为偶数。含奇数 N的有机分子 , 其分子 离子峰的 m/z （即分子量）为奇数。 使用 CI电离时，可能出现 M+H, MH, M+C2H5, M+C3H5 使用 FAB时，可出现 M+H, MH, M+Na, M+K 较高分子量的化合物，可能同时生成 M+H, M+2H, M+3H等 3.1.2 分子离子峰的相对强度 (RI ) 不同的电离方式 , 其分子离子的 RI不等。 不稳定的分子 , 大分子 , 其分子离子的 RI较弱。 稳定的分子 , 大共轭分子 , 其分子离子的 RI较强。 大约 20%的分子离子峰弱或不出现 . 其大致规律如下 : 采用 EI: 芳香族化合物 共轭多烯 脂环化合物 低分子链烃 , 某些含硫化合物 羰基化合物 (醛 , 酮 , 酸 , 酯 , 酰氯 , 酰胺 ) 分子离子峰通常可见 脂肪族醇类 , 胺类 , 硝基化合物，多支链化合物等 分子离子 峰 通常弱或不出现 分子离子峰不出现怎么办 ? 改用其它离解方式 , 如 : CI, FAB, ESI 等 3.1.3 分子式的推导 利用低分辨质谱数据，推导分子式 同位素峰簇及其相对丰度 对于 C, H, N, O组成的化合物， 其通式： CxHyNzOw RI(M+1) / RI(M) 100 = 1.1x + 0.37z ( 2H 0.016, 17O 0.04忽略 ) RI(M+2) / RI(M) 100 = (1.1x） 2 / 200 + 0.2w 含硫的样品 32S : 33S : 34S = 100 : 0.8 :4.4 RI(M+1) / RI(M) 100 = 1.1x + 0.37z+ 0.8S RI(M+2) / RI(M) 100 = （ 1.1x） 2 / 200 + 0.2w +4.4S 含 Si的化合物 28 Si : 29Si : 30Si = 100 : 5.1 : 3.4 含重同位素（如 Cl, Br） 的样品 35Cl : 37Cl = 100 : 32.5 3 : 1; 79Br : 81Br = 100 : 981 : 1 分子中含 1 Cl， (a+b)1, M : M+23 : 1 分子中含 2 Cl， (a+b)2, M : M+2 : M+49 : 6 :1 分子中含 1 Br， (a+b)1, M : M+21 : 1 分子中含 2 Br， (a+b)2, M : M+2 : M+41 : 2 :1 分子中含 1Cl 和 1Br (a+b) (c+d), M : M+2 : M+43 : 4 : 1 当分子中含有两种或两种以上的不同的具有同位素的元素时，可 以用二项式展开的乘积来计算，即 (a + b)n (c +d)m 例： 化合物中含有 2个氯和 2个溴原子 Cl2: (a + b) n = (3 +1) 2 =9: 6: 1 Br2: (c + d) m =(1 + 1) 2 =1: 2: 1 （ 9 6 1) 1 9 6 1 ( 9 6 1) 2 18 12 2 ( 9 6 1) 1 9 6 1 9 24 22 8 1 即 M: (M+2): (M+4): (M+6): (M+8) 9: 24: 22: 8: 1 如果两个离子分别含有 1个溴和 3个氯，虽然 (M+2)峰的相对强度 差不多，但是 (M+4)峰却有差别。 在考虑 (M+2)峰的相对强度时， 还必须考虑 (M+1)峰对它的贡献。 DBE（或 UN） 的计算 DBE: Double Bond Equivalents UN: Unsaturated Number 计算式为 : CC 原子数 HH 原子数=C+1 H/2 i) 分子中含有卤素原子 (X)时 ,它的作用等价于 氢 原子 ; ii) 二价原子数目不直接进入计算式 ; iii) 化合物中若含有一个三价 N原子 ,它相应的化合物比链状烷烃多 3个 H. 故有 : N为三价 : =C+1 H/2 X/2+N/2 N为五价 : =C+1 H/2 X/2+3N/2 例如 : C7H3ClN2O2 = (7+1) 3/2 1/2 +1/2 +3/2=8 = (7+1) 3/2 1/2 +2/2 =7 例： 化合物的质谱图如下，推导其分子式 设： 分子离子峰： 73 7358 = 15 合理 (1.9/31) 100 = 1.1x+0.37z, z=1, x=5, y=731460= 1 ? z=1, x=4, y=731448=11 合理 分子式 C4H11N, =0 例 3：化合物的质谱图如下，推导其分子式 由碎片离子 可判断其为 C6H13Br 164:166=1:1, 164-85 = 79 (Br) 分子中含有 1个 Br, 不含氮或含偶数氮 m/z: 85(49), 86(3.2), 87(0.11) x = 3.2/49100/1.16 设 x = 6, 则 y =13, 可能的分子式 C6H13Br, =0 合理 设 x = 5, w=1, 则 y =9, 可能的分子式 C5H9OBr, =1 也合理 例 设 m/z 154为分子离子峰 , 154-139=15, 合理 m/z 154 155 156 157 RI 100 9.8 5.1 0.5 分子中含有 1个 s x = (9.80.8)/1.18 y = 154 32 128=26 不合理 设 w = 1 则 y = 154 3216128=10 分子式为 C8H10OS 查 Beynon表法 C H N O m/z M+1 M+2 理论计算值，会出现不符合 N律和不符合 DBE的一般规律。 高分辨质谱法 精确质量，与分辨率有关 试误法 精确质量的尾数 =0.007825y+0.003074z-0.005085w 查表法 Beynon and Lederbey 制作了高分辨质谱法数据表， 可查出对应于某精确质量的分子式。 计算机处理 3.3 有机质谱中的反应及其机理 M + e M+. + 2e M-. + 小于 1% M+. A+. + +B+ A B + +. 中性分子或碎片 R 50-70 eV M+ A+, B+, C +, D+ 3.3.1 研究有机质谱裂解反应的实验方法 亚稳离子法 同位素标记法 亚稳离子法 m1 m m2 m = 15 (CH3） , 18 (H2O), 28 (CH2CH2 , CO) 同位素标记法 2H标记，其质荷比大于未标记的分子离子或碎片离子。 例如 : 醇失水， MS证明是 1,4-失水为主 氯代烃脱 HCl, 是 1,3-失 HCl为主 3.3.2 有机质谱裂解反应机理 裂解反应瞬间进行，机理研究困难 McLaferty 提出 “ 电荷自由基定位理论 ” 自由基引发（ 断裂） 自由基 有强烈的电子配对倾向 正电荷吸引或极化相邻成键电子引起裂解（ i 断裂） 均裂 -单电子转移 断裂 (化合物不含杂原子，也没有 键） 异裂 -双电子转移 分子失去一个电子，生成带单电子的正电荷的离子 单电子或正电荷带在何位？ 分子中 n电子比 电子易丢失， 电子比 电子易丢失 离子的正电荷愈分散，离子的稳定性愈大 自由基位置引发的裂解反应 自由基位置引发的重排反应 电荷位置引发的裂解反应 3.3.3 有机化合物的一般裂解规律 偶电子规律 OE+ OE + , OE+ EE + EE+ EE + , EE+ OE + ? 如何识别质谱图中的的 OE+ ? 不含氮的化合物 , m/z 为偶数的离子是奇电子离子 在质谱图中 , 奇电子离子并不多见 , 但重要 . 烃类化合物的裂解规律 : 烃类化合物的裂解优先生成稳定的正碳离子 CH3(CH2)nCH3 m/z 43或 57 是基峰 C6H5CH2(CH2)n CH3 m/z 91是基峰 含杂原子化合物的裂解（羰基化合物除外） : 羰基化合物的裂解 : 逆 Diels-Alder反应 (RDA): 氢的重排反应 : McLafferty重排 例： 4辛酮： 氢重排的证明： 用 D取代 H： 用 D取代 H： 用 D取代 H： 例： 烯： 酯： 烷基苯： 腙： 环氧化合物： 不饱和醇： 羧酸： 酰胺： -H重排常见离子 自由基引发或正电荷诱导，经过四、 五、六元环过渡态氢的重排 偶电子离子氢的重排 芳环的邻位效应 杂芳环的邻位效应 长链酯基的双氢重排 饱和分子的重排分裂 很多不含双键的分子也可发生重排分裂。如，醇失去水的 碎片离子峰的生成： 可由氘标记实验证实。通过六员环转移， 1,4-消去。 例： 腈化物：失 HCN 硫醇 :失 H2S 还可失 CH3CO2H， CH3OH， CH2=C=O等 质谱中的非氢重排 环化取代重排 消去重排 环化取代重排 (cyclization displacement rearrangement) m/z 91(100) 消去重排 (elimination rearrangement) 烷基迁移 苯基迁移 烷氧基迁移 氨基迁移 3.4 各类有机化合物的质谱 烃类化合物的质谱烃类化合物的质谱 醇、酚、醚醇、酚、醚 硫醇，硫醚硫醇，硫醚 胺类化合物胺类化合物 卤代烃卤代烃 醛，酮，羧酸，酯，酰胺醛，酮，羧酸，酯，酰胺 烃类化合物的质谱 烷烃烷烃 - 直链烷烃：直链烷烃： M+ 峰弱，可见。峰弱，可见。 m/z CnH2n+2 M- 29(C2H5) CnH2n+1 (主主 )， m/z 43, 57, 71, 85, 99,113等等 ; m = 14 CnH2n m/z 42, 56, 70, 84等等 CnH2n-1 m/z 41, 55, 69, 83等等 m/z 43 (CH3)2CH+, 57 (CH3)3C+ 基峰或强峰基峰或强峰 碎裂符合偶电子规律 n-十六烷的质谱图如下 烷烃 -支链烷烃 M+ 弱或不见。弱或不见。 M-15 (CH3), 带侧链带侧链 CH3 M-R (R) 优先失去大基团，此处优先失去大基团，此处 碎片离子峰的碎片离子峰的 RI 大。大。 烷烃 - 环烷烃 以环己烷为例以环己烷为例 : M+ 较强较强 , 因裂解丢失基团需断裂两个键。因裂解丢失基团需断裂两个键。 m/z 41, 55, 69峰。自由基引发，经过四，五，峰。自由基引发，经过四，五， 六元环过渡态氢转移，裂解如下六元环过渡态氢转移，裂解如下 : （环上烷基取代，优先失去大基团，正电荷带（环上烷基取代，优先失去大基团，正电荷带 在环上。）在环上。） 甲基环己烷 的质谱图如下 脂环化合物的复杂断裂： 1. 特点： i) 需经两次开裂； ii) 断裂前有氢原子的转移 . 2. 实例：甲基环己醇三种异构体的裂解 1） 2-甲基环己醇： A B 稳定性：叔碳自由基仲碳自由基 m/z 57 m/z 71(强度 ) 2） 3-甲基环己醇： 甲基有超共轭效应， m/z 71 m/z 57(RI) 3） 4-甲基环己醇： 另例： 烯 烃 M+ 峰较弱，但比相应的烷烃强。峰较弱，但比相应的烷烃强。 m/z CnH2n -键断裂（末端烯），键断裂（末端烯）， m/z 41 CH2=CH-CH2 + 基峰或强峰。基峰或强峰。 -氢重排氢重排 m/z 42 CH2=CH-CH3 +, 基峰或强峰基峰或强峰 CnH2n -1 (主主 ) , 如如 m/z 41, 55, 69, 83, 等。等。 CnH2n +1 m/z 43, 57, 71, 85, 99, 113等等 ; m = 14 CnH2n m/z 42, 56, 70, 84， 等等 42 +14n。 注意：注意： 重排时，双键可能发生移动，其位置难以确定重排时，双键可能发生移动，其位置难以确定 。 1-十二烯 的质谱图如下： 环烯 ： RDA反应 芳烃 烷基苯烷基苯 M+强或中等强度。强或中等强度。 -键的断裂，产生键的断裂，产生 m/z 91的基峰或强峰；的基峰或强峰； -H的重排，产生的重排，产生 m/z 92的奇电子离子峰，的奇电子离子峰， 进一步裂解，产生进一步裂解，产生 m/z 77， 65， 51， 39的峰或的峰或 者者 m/z 78， 66， 52， 40的峰。的峰。 例如 ,正己基苯 的 MS如下： 醇、酚、醚 醇醇 M+弱或不出现弱或不出现 CnH2n+1O 的含氧碎片的含氧碎片 , m/z 31, 45, 59等等 （自由基位置引发的（自由基位置引发的 -裂解）。裂解）。 M 18, M 18 28 伴有伴有 CnH2n +1 m/z 43, 57, 71, 85, 99, 113等等 （ i异裂异裂 R+）。）。 CnH2n m/z 42, 56, 70, 84， 等等 , 分子失分子失 水后类似于烯烃的裂解。水后类似于烯烃的裂解。 CnH2n -1 m/z 41, 55, 69, 83, 等。等。 正壬醇 的质谱图 环己醇 苄 醇 苯 酚 醚 脂肪醚脂肪醚 : M+弱弱 , M H+ CnH2n+1O 的含氧碎片的含氧碎片 , 31, 45, 59等等 . - 裂解裂解 ,-H转移转移 . CnH2n +1 m/z 43, 57, 71, 85, 99,113等。等。 (i 异裂异裂 R+ ) CO 键断裂键断裂 , 正电荷往往带在正电荷往往带在 R基基 上上 . 低质荷比区伴有低质荷比区伴有 CnH2n , CnH2n -1 峰峰 . 与醇类的区别与醇类的区别 , 无失水峰无失水峰 . 2-乙氧基丁烷 的质谱图如下 乙基正丁基醚 的质谱图如下 芳香醚 M+较强，类似于脂肪醚的裂解方式。较强，类似于脂肪醚的裂解方式。 -H转移转移 -H重排重排 双取代芳香醚双取代芳香醚 取代基的位置对其质谱有较大的影响取代基的位置对其质谱有较大的影响 硫醇、硫醚 M+的相对强度较相应的醇、醚强的相对强度较相应的醇、醚强 . 硫醇硫醇 : M-33(-HS),M-34(-H2S),33 HS+,34H2S+ CnH2n+1S 的含硫碎片的含硫碎片 , 47,61,75,89等等 . 伴有伴有 CnH2n +1 m/z (43,57,71,85,99, 113), CnH2n和和 CnH2n-1等等 . (长链烷基硫醇尤为明显长链烷基硫醇尤为明显 ) 例如 n-C12H25SH 硫 醚 C-S 键断裂键断裂 ,正电荷往往带在含正电荷往往带在含 S碎碎 片片 上上 . -裂解裂解 . CnH2n+1S的含硫片的含硫片 ,47,61,75,89等等 . 四元四元 (-H),五元五元 ,六元六元 (-H)过渡态过渡态 氢的重氢的重 排排 . M+ 的相对强度较相应的硫醇强的相对强度较相应的硫醇强 2-甲基 -2-巯基 -丁烷 正戊基异丙基硫醚 胺类化合物 胺类化合物的 M+的 RI 较较弱 仲胺 ,叔胺或大分子伯胺 M+峰往往不出现 含奇数个 N, M+的 m/z 是奇数值 -裂解 , 正电荷带在含氮的碎片上 (N稳定正电荷 的能力大于 O, S) CnH2n+2N 的含 N特征碎片峰 , m/z 30, 44, 58等 ， 30+ 14n峰 . -H 转移 小分子伯胺 ,仲胺 ,叔胺 的 -裂解 ,其 m/z 30, 44(or 44+14n),58(or 58+14n)的峰为基峰或强峰 . 比较正癸烷和 1氨基癸烷的质谱图： 三乙胺的质谱图 芳 胺 羰基化合物 醛 , 酮 , 羧酸 , 酯 , 酰胺 醛 酮 羧酸 酯 酰胺 X: H CH3 OH OCH3 NH2 X-CO+ 29 43 45 59 44 R-CO+ M-1 M-15 M-17 M-31 M-16 M-(15+14n) M-(31+14n) M-(16+14n) 由 M-X 判断羰基化合物的类型 羰基化合物 醛 脂肪醛 M+ 明显 . 可见 M-1, M-29及 R+碎片离子 , m/z 29 强峰 . CH3(CH2)7CHO 芳醛 M+ 强或基峰 . 苯甲醛的裂解如下 : 水杨醛的质谱图 羰基化合物 酮 例：由质谱图推导化合物结构 薄荷酮的质谱图如下 羰基化合物 羧酸 羧酸 的分子离子峰弱，可出现 M17 (MOH) M45 (MCOOH) 45 (COOH) -H的重排生成 m/z 60的峰 羰基化合物 酯类 小分子酯有明显的分子离子峰 甲酯可出现 M31 (MOCH3) 乙酯可出现 M45 (MOC2H5) -H的重排生成 m/z 74+14n的峰 长链酯的双氢重排峰 C10H10O2 C9H10O2的质谱图（ a, b） 如下，推导其结构 a 邻甲基苯甲酸甲酯 b 苯乙酸甲酯 C6H12O2两种异构体的质谱图如下，推导其结 构 (己 酸 , 丙 酸 丙 酯 ) 3-甲基丁酸甲酯 羰基化合物 酰胺及氨基酸类 酰胺类化合物的裂解反应与酯类化合物类似 -裂解 -裂解 -氢的重排 -氢的转移 分子式 C11H15NO两种异构体的 质谱图如下，解释之 质谱解析实例 1 水杨酸正丁酯（ O-羟基苯甲酸正丁酯） 质谱解析实例 2 m* : 102.7, 87.4, 77.1, 53.8, 5.08, 29.5 m/z 157 127 (m* 102.7), 30, NO or CH2O 141 111 (m* 87.4), 30, NO or CH2O 127 99 (m* 77.2), 28, CO or CH2CH2 99 73 (m* 53.8), 26, CHCH 111 75 (m* 50.7), 36, HCl 76 50 (m* 32.9), 26, CHCH 85 50 (m* 29.5), 35, Cl 分子中含有 1 Cl, 1 N（ 且为 NO2） , 苯基。 15735 (Cl) 46 (NO2) = 76 为双取代苯 例一 : 试由未知物谱图推出其结构。 解：由图： m/z 102很弱，且无苯环特征峰（ 77， 65， 51， 39）等 ，可知该化合物为脂肪烃。 由 m/z 31( + OCH3）可知为含氧化合物醇、醚型，因为质谱 图中无 M 18 峰，所以化合物为脂肪族醚类。 (102 16) 2/14=6 分子式为 C6H14O 结构式可能为： m/z 87 M CH3 45 73 C2H4 73 M C2H5 31 CH2=OH+ 59 87 C2H4 29 CH3 CH2 + 57 M OC2H5 无 m/z 59 ，故可排除 ( b ) 例二 : 未知物分子为 C4H11N。今有七套质谱数据如下表所示， 试推出相应的未知物结构。 相对丰度 解： C4H11N 的可能异构体： CCCCN CCN C C CCCN C CCN C C CCCNC CNC C C CCNCC CCN C C 杂原子（ N）化合物最易产生的裂分是 裂分 。 先从基峰着手，基峰为 m/z 58 的化合物有 A、 B、 C、 G 。 对照上列 8 个结构式，易发生 裂分失去甲基自由基的有： ， ， ， ， 。但对于 式： 有显著的 m/z 44 的峰，故可排除。 的分支最多， M CH3 强，分子离子峰最低（ 0），故 为 G 的结构式。 下面考虑峰强度差异较大的 m/z 30 ，由于 m/z 30 可由 m/z 58 或 m/z 72 经四元环重排得来，故由重排几率的大小即可判断。 式中 N原子两侧均能发生 裂分，继之发生四元环重排， m/z 30 强度最大（ 73.6），故 为 B 式。 式： m/z 30次于 B 式的强度，故 为 C 式。 式： 与 A 中数据相符，故 为 A 式。 基峰为 m/z 44的异构体，仅化合物 D 。结构式 ， 均可失去 C2H5 产生 m/z 44 碎片离子，由于 D 中还有 m/z 58 碎片，而 不易失去甲基，故可排除 式。 式为 D 的结构式 。 最后考虑基峰 m/z 30： 式： 但不易失去甲基， m/z 58很低 ( 0 )，故 F 为 式。 式：相对 式较易失去甲基，故分子离子峰的 强度弱于 式，但有 m/z 58，故 E 为 式结构。 式： 例三：试由质谱图