有机质谱解析2.doc

质谱，即质量的谱图。物质的分子经物理作用或化学反应等途径形成带电粒子，某些带电粒子可进一步断裂。如用电子轰击有机化合物（M），使其产生离子的过程如下：每一离子的质量与所带电荷的比称为质荷比(m/z ,曾用m/e表示)。不同质荷比的离子经质量分离器一一分离后，由检测器测定每一离子的质荷比及相对强度，由此得出的谱图称为质谱。下面为甲醇的质谱分析实例。 表1-1甲醇的质谱数据m/z相对丰度m/z相对丰度128.328 6.3130.72964142.4303.8151331100160.23266171.0331.0图1-5 甲醇的质谱图从质谱分析中可以得到有机化合物分子结构信息，上图中只失去一个电子的离子（m/z 32）被称为分子离子。其质荷比与母体分子的分子量相等。母体分子或分子离子裂解形成碎片离子，这种裂解与分子结构有密切关系。此外，谱图中同位素离子的丰度与天然元素中同位素的丰度有相关性，由此可推测样品中某种元素的存在。质谱分析与核磁共振波谱及红外光谱分析相结合，便可以确定有机化合物的分子结构。质谱分析中常用术语和缩写式如下：游离基阳离子，奇电子离子（例如CH4）(全箭头)电子对转移（鱼 钩）单个电子转移断裂；与奇电子原子邻接原子的键断裂（不是它们间的键断裂）“A”元素只有一种同位素的元素（氢也归入“A”元素）“A+1”元素某种元素，它只含有比最高丰度同位素高1amu 的同位素“A+2”元素某种元素，它含有比最高丰度同位素高2 amu的同位素A峰元素组成只含有最高丰度同位素的质谱峰A+1峰比A峰高一个质量单位的峰分子离子（M）失去一个电荷形成的离子，其质荷比相当于该分子的分子量碎片离子分子或分子离子裂解产生的离子。包括正离子（A+）及游离基离子（A+.）同位素离子元素组成中含有非最高天然丰度同位素的离子亚稳离子（m*）离子在质谱仪的无场漂移区中分解而形成的较低质量的离子基峰谱图中丰度最高离子的峰绝对丰度每一离子的丰度占所有离子丰度总和的百分比，记作%相对丰度每一离子与丰度最高离子的丰度百分比质谱图上反应各离子的质荷比及丰度的峰被称为某离子峰。在质谱图上可以看到各种离子及其相对强度，这些信息与分子结构有关。本章主要介绍电子电离质谱中各种离子的形成、特点及其在质谱解析中的作用。第一节 分子离子分子离子（M+。）是质谱图中最有价值的信息，是测定化合物分子量的依据。用高分辨质谱可以直接测定化合物的分子式。用低分辨质谱得到的数据，结合同位素离子、碎片离子也可以推测化合物的分子式。一、分子离子的形成分子失去一个电子后形成分子离子。一般来讲，从分子中失去的电子应该是分子中束缚最弱的电子，如双键或叁键的电子、杂原子上的非键电子等，失去电子的难易顺序为：杂原子 C=C C-C C-H易 难有机化合物在质谱中的分子离子稳定度有如下次序：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。二、分子离子峰的判别化合物的分子量通常用其所含元素的最大丰度质量来计算。假如一个纯化合物的EI质谱图中有分子离子的话，它应该出现在谱图的最高质荷比区。但是，质谱图上质荷比最高的离子不一定就是分子离子，需进一步检验确定，以排除各种干扰。为判别分子离子，前人总结了很多经验。在一个纯化合物质谱（不含本底和离子分子反应等产生的附加峰）中，作为一个分子离子必要的但非充分的条件是：1、它必需是谱图中单同位素组成的最高质量的离子；分子失去一个电子，形成分子离子，自然它的质量数（质荷比）应为最高。但是，某些含氧含氮的化合物，如醚，酯，胺、酰胺、氨基酸酯、氰化物等，往往在比母峰多一个质量单位处出现一个峰，称为M+1峰，这是由于分子离子在电离室碰撞过程中捕获一个H而形成的。同样，有些分子易失去一个H而生成M-1离子。例如，六氢吡啶的M-1峰比M峰要高得多。在实际工作中，情况往往很复杂。例如，测量误差会对低丰度元素的计算带来较大影响，使推导出的元素组成有一种以上的可能性，因此还需结合碎片离子及其他数据综合分析。此外，由于某些元素存在重同位素，质谱图中也会出现某些离子的质荷比高于分子离子的情况。对同位素离子的说明见下节。2、分子离子必须是奇电子离子；样品分子失去一个电子而被电离成离子，因而分子离子是一个游离基离子，由于带有未成对电子，所以被称为奇电子离子（OE），用符号表示。例如甲烷的分子离了形成过程如下：上式中符号只指带未成对电子的离子，并不是指另有一个电子加到所表示的分子上。3、含氮的有机化合物，分子离子的质荷比符含“氮规则”；在有机化合物中常见的多数元素，其最大丰度同位素质量和价健之间有一个巧合，即除氮原子外，两者或均为偶数或均为奇数。由此可以推导出“氮规则”：假若一个化合物含有偶数个氮原子，则分子离子的质量为偶数。反之，可以推论出：含奇数个氮原子的化合物，分子离子的质量为奇数，其他有机化合物，分子离子的质量一般为偶数。4、分子离子必须能够通过丢失合理的中性碎片，产生谱图中高质量区的重要离子。分子离子分解过程中，通常仅有少数几种低质量中性碎片被失去。例如，饱和烷烃可以失去甲基或一个氢原子，出现质荷比为M-15及M-1的离子，但不可能失去5个H，出现质荷比为M-5的离子。通常，分子离子不可能失去质量为414和2125的中性碎片而产生重要的峰。下图为一烷烃的图谱，每m/z57与m/z43的离子相距14个质量数，而完整的有机化合物分子不可能丢失一个CH2离子，所以m/z57不是分子离子峰，而是由m/z 72的离子失去甲基（M-15）形成的。经过谱图解析，证明这个化合物是季戊烷CH3C(CH3)3，由于它不稳定，在电子轰击下易断裂，所以没出现分子离子峰。表2-2 常见低质量中性碎片M-15(.CH3)M-27(CHNH2.CHCH2)M-32(CH3OH,S,O2)M-16(O)M-28(CO,CH2CH2)M-33(CH3+H2O)M-17(.OH,NH3)M-29(CHO,C2H5)M-34(H2S)M-18(H2O)M-30(CH2O,NO)M-35(Cl)M-26(CN,HCCH)M-31(OCH3,CH2OH)M-36(2H2O,HCl)M-41(C3H5),对于不易出现分子离子的化合物，可采用其他辅助分析手段。1、低能电子：通常EI谱的电子轰击能量为70ev，逐步降低轰击电子的能量，可以减少分子的平均内能使其碎断几率相应减少，由此提高分子离子的相对丰度。但需要注意的是，降低轰击电子能量，也就降低了所有离子的绝对丰度，使仪器灵敏度随之下降。能量过低，对辨别分子离子峰同样是不利的。2、化学电离等软电离技术：在化学电离条件下，样品分子与“反应气”离子在离子源中发生离子分子反应。通常，样品分子得到一个H或失去一个H，得到质荷比为M1的偶电子离子（OE）+，这些偶电子离了一般具有较低的内能。因此用EI得不到分子离子的化合物，在CI条件下大多数可以产生能指明分子量的离子。除CI外，常用的软电离技术还有FI（场电离）、FD（场解吸）及FAB（快原子轰击）等。3、测定衍生物的质谱：用化学方法把一个化合物转变为适当的衍生物来提高化合物的蒸汽压，从而得到低挥发性化合物的衍生物质谱图。如羧酸在EI谱上，只能得到M-COOH的峰，将羧酸进行甲酯化反应后，得到M+14的峰，进而推测化合物的分子量。第二节 同位素离子在自然界，很多元素的组成不是单一的。这样，由它们组成的化学纯的有机化合物，由于组成它们的元素不是同位素纯的，只能得到一张混合物的质谱图。其中含有丰度较小的重同位素的离子被称为同位素离子。它的丰度与离子中存在该元素的原子数目及该同位素的天然丰度有关，借助这些知识，可以推测分子离子或碎片离子的元素组成。一、天然元素中同位素的相对丰度下表中列举了组成有机化合物的常见元素在自然界中存在的稳定同位素及其丰度。这些化合物被分为三类：“A”，只有一个天然丰度的同位素；“A+1”，有两个同位素的元素，其中第二个同位素比丰度最大的同位素重一个质量单位；“A+2”，这类元素含有比丰度最大同位素重二个质量单位的同位素。由于2H在自然界含量很低，对重同位素峰的影响不大，通常把它作为A元素。表2-3常见元素的天然同位素丰度元素AA+1A+2元素类型质量，%质量，%质量，%H110020.015“A”C12100131.1“A+1”N14100150.37“A+1”O16100170.0418 0.20“A+2”F19100“A”Si28100295.1303.4“A+2”P31100“A”S32100330.80344.4“A+2”Cl3510037 32.5“A+2”Br791008198.0“A+2”I127100“A”二、重同位素峰丰度的近似计算法。1“A+2”元素，这类元素包括氧、硅、硫、氯和溴。除氧以外，其他元素的重同位素丰度都较高，如果有机物含有硅、硫、氯和溴，则分子离子区出现的同位素峰的强度可由二项式的展开式来计算。式中a：轻同位素相对丰度 b：重同位素相对丰度 n：分子中该元素的原子数目例如：含一个氯原子的化合物CH3Cl，由CH335Cl（M+.，m/z50）及CH337Cl（M+2，m/z52）组成，其中35Cl与37Cl的丰度比为3：1，则上式为：（3+1）1=3+1CH335Cl与CH337Cl的丰度比，即I%(m)/ I%(m+2)=3:1图2-2 CH3Cl分子同位素丰度比而含三个氯的CHCl3，同位素峰丰度计算如下：图2-3 CHCl3分子同位素丰度比图2-4 CH3Br分子同位素丰度比图2-5 CHBr3分子同位素丰度比当化合物含有两种或两种以上“A+2”元素时，先根据上式计算每一种元素的丰度比，而后时它们进行排列组合，例如对于含一个氯原子及两个溴原子的化合物，用3：1含一个（氯原子的丰度比），与1：2：1（含两个溪原子的丰度比）组合，可知它的m:m+2:m+4:m+6 =3:7:5:1。图2-6 CHClBr2分子同位素丰度比图2-7 含1-6个氯原子的农药同位素丰度比在实际测量中，由于18O含量低，测量误差往往较大。2、“A+1”元素“A+1”元素包括碳、氢和氮。但2H/1H的比例非常小，常常把氢做为A元素，对化合物CwHxNyOZ可用下式计算同位素峰丰度比：因为17O及2H相对含量极低，上式可简化为：（m+1）%=1.1W+0.38Y%三、利用同位素峰推测元素组成及分子式 表2-5 Beywon表节录分子式M+1M+2C7H10N49.250.38C8H8NO29.230.78CSH10N2O9.610.61C8H12N39.980.45C9H10O29.960.84C9H12NO10.340.68C9H14N210.710.52某化合物，其m、m+1、与m+2的丰度比见表。根据为0.88，可知此化合物不含Cl及Br。在Beynon表中，分子量为150的组合共29个，其中Im+1/Im的百分比在911之间的组合7个。根据“氮规则”，可以排除C8H8NO2，C3H12N3及C9H1002的同位素峰丰度比与实测值接近，可以推测该化合物的分子式应为C9H10O2。m/z相对丰度归一化S1O1C8C913CS11390.52140251001001001001001412.5 0.25101.00.80.08.89.98.81421.20.24.80.84.40.20.30.30.11430.10.20.40.80.4第三节 碎片离子反应的分类方法有很多种，此处采用F.W. Mclafferty的分类方法。1、键的断裂化合物中某个单键失去电子，则在此处易进一步发生断裂反应，例如烷烃。能够稳定正电荷的离子丰度较高，如甲基为供电基，叔丁基与三个甲基相连，对稳定正电荷最有利，所以上述反应中（CH3）3C+离子的丰度为100%，即基峰。图2-8 2,2-二甲基丁烷的质谱图2、游离基中心引发的断裂反应（断裂）分子失去电子，形成游离基离子，它的电子有强烈的成对倾向，电子转移与邻近原子形成一个新键，同时邻近原子的键断裂。因此，这种断裂通常称为“”断裂反应，以下分别举例说明各种化合物断裂过程。（1）游离基离子为饱和中心原子杂原子（Y）的孤对电子电离能较低，很容易去失，形成游离基离子，进而发生断裂，如图2-9 乙醇的质谱图图2-10 乙胺的质谱图图2-11 乙醚的质谱图图2-12 丙酮的质谱图（3）烯烃类的烯丙位裂解图2-13 1-丁烯的质谱图图2-14 3-甲基-3-己醇的质谱图3、电荷中心引发的反应（诱导断裂，i）（1）奇电子离子（OE）a. 饱和中心例如：b. 不饱和中心例如：图2-15 3-戊酮的质谱图上述反应由正电荷对一对电子的吸引所推动，反应发生的难易与该元素的诱导效应有关，一般为卤素O、S N、C；许多碘代烷烃，溴代仲和叔烷烃及氯代叔烷烃，较易产生这个反应。图2-16 2-溴丁烷的质谱图在影响或i反应的能力方面，氧属于中等水平，例如：反应与i反应机理不同，形成的离子也不同，两者互为互补离子。由于i断裂需要电荷转移，与断裂相比较难进行。上述反应中m/z59的丰度大于m/z29的丰度分子离子为奇电子离子（OE），经过断裂产生偶电子离子（EE+），再发生i断裂，如酯肪酮：4、游离基中心引发的重排在质谱反应中，分子中原子的排列发生变化的反应被称为重排，由游离基中心引发的氢原子重排是常见的重排反应之一。（1） -H重排到不饱和基团上并伴随发生断裂：（麦氏重排）。未成对电子通过空间与邻近的一个原子（位上氢原子）形成新键，这个新键的第二个电子是由该邻近原子的另一个键转来的，其结果导致这个键断裂及氢原子通过六元过渡态转移。在这个过程中最初的断裂没有使离子中任一部分丢失，而只是引起游离基中心位置的改变。新的游离基立即引发一个断裂反应，导致原来游离基的位碳碳键断裂；与此同时失去一个烯烃或其他稳定分子，形成奇电子离子，例如：图2-17 2-己酮的质谱图（2） 氢重排到饱和杂原子上并伴随邻键断裂。饱和杂原子的游离基未成时电子与邻近的处于适当构型的氢原子形成一个新键，与此同时一个与氢原子相邻的键断裂。图2-21 N-丁基乙酰胺的质谱图通过反应产生m/z73离子。由于产生的含杂原子的离子是饱和的，对电荷的争夺力很弱，使得电荷转移的i反应发生更为普遍，尢其是对电负性强的基团：图2-22 1-氯戊烷的质谱图上述反中形成了M-HCl离子，其它电离能较高的饱和小分子，如H2O、C2H4、CH3OH、H2S 和HBr等，常以这种方式丢失。（3）置换反应（rd）这是一种非氢重排的反应，分子内部两个原子或基团（常常是带游离基中心的）互相作用，形成一个新键，与此同时其中一个基团（或两者）的另一键断裂，例如：m/z 915、电荷中心引发的重排z为氢时常常看到这个类型的裂解，如二乙胺：图2-23 二乙胺的质谱图麦氏重排产生OE离子，而麦氏+1重排产生EE+离子，这个特征峰有利于辨认酯，硫酯酰胺和磷酸酯等化合物。RDA裂解以上介绍了各类裂解反应及其机理。质谱反应中，各类反应可以同时发生，但由于化合物的性质不同，往往以12种反应为主，由此产生各类化合物的特征离子。各类化合物的质谱将在下章论述。第四节 亚稳离子及多电荷离子一、亚稳离子在质谱图中，有时可以看到峰形较宽的峰，这是亚稳离子形成的。质量为m1的离子若在电离室中进