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第五章质谱 质谱的基本知识离子裂解的机理有机质谱中的裂解反应常见各类化合物的质谱有机质谱的解析及应用最新质谱技术及应用简介 e 质谱仪的工作原理质谱仪是利用电磁学原理 使带电的样品离子按质荷比进行分离的装置 离子电离后经加速进入磁场中 其动能与加速电压及电荷z有关 即zeU 1 2m 2其中z为电荷数 e为元电荷 e 1 60 10 19C U为加速电压 m为离子的质量 为离子被加速后的运动速度 具有速度 的带电粒子进入质谱分析器的电磁场中 根据所选择的分离方式 最终实现各种离子按m z进行分离 1 1913年 Thomson使用MS发现了Ne是由22Ne和24Ne两种同位素组成 随后 同位素分析开始发展 2 20世纪30年代末至40年代 由于石油工业的发展 需要测定油的成份 通常用蒸馏的方法先分离这些烃类混合物 然后再利用分别测定其折光率的方法来分析它们 这通常要花数天时间 将MS用于石油工业中烃的分析 可以大大缩短分析时间 3 50年代初 质谱仪器开始商品化 并广泛用于各类有机物的结构分析 同时质谱方法与NMR IR等方法结合成为分子结构分析的最有效的手段 发展历史 4 60年代 出现了气相色谱 质谱联用仪 使质谱仪的应用领域大大扩展 开始成为有机物分析的重要仪器 计算机的应用又使质谱分析法发生了飞跃变化 5 90年代 由于生物分析的需要 一些新的离子化方法得到快速发展 如快原子轰击离子源 基质辅助激光解吸电离源 电喷雾电离源 大气压化学电离源等 6 目前 出现了比较成熟的液相色谱 质谱联用仪 感应耦合等离子体质谱仪 傅立叶变换质谱仪等 质谱分析法已广泛地应用于化学 化工 材料 环境 地质 能源 药物 刑侦 生命科学 运动医学等各个领域 主要组成部分 1 进样部分2 离子源3 质量过滤器 分析器 4 离子检测器 质谱分析原理及质谱仪 一 质谱仪的基本结构 质谱仪是通过对样品电离后产生的具有不同的m z的离子来进行分离分析的 为了获得离子的良好分离和分析效果 避免离子损失 凡有样品分子及离子存在和通过的地方 必须处于真空状态 Agilent7500系列ICP MS 质谱仪各部分的工作原理 1 真空系统质谱仪的离子产生及经过系统必须处于高真空状态 离子源真空度应达1 3 10 4 1 3 10 5Pa 质量分析器中应达1 3 10 6Pa 其作用是减少离子碰撞损失 真空度过低 将会引起 a 大量氧会烧坏离子源灯丝 b 引起其它分子离子反应 使质谱图复杂化 c 用作加速离子的几千伏高压会引起放电 一般质谱仪都采用机械泵预抽空后 再用高效率扩散泵连续地运行以保持真空 现代质谱仪采用分子泵可获得更高的真空度 2 进样系统进样系统的作用是高效重复地将样品引入到离子源中 并且不能造成真空度的降低 常用的进样装置有三种类型 间歇式进样 直接探针进样 色谱进样系统 GC MS HPLC MS 和高频感藕等离子体进样系统 ICP MS 等 2 间歇式进样 适于气体 沸点低且易挥发的液体 中等蒸汽压固体 1 色谱进样 利用气相和液相色谱的分离能力 与质谱仪联用 进行多组份复杂混合物分析 如图所示 注入样品 10 100 g 贮样器 1L 3L 抽真空并加热 样品蒸汽分子 压力陡度 漏隙 高真空离子源 3 直接探针进样 高沸点液体及固体探针杆通常是一根规格为25cm 6mm 末端有一装样品的黄金杯 坩埚 将探针杆通过真空闭锁系统引入样品 如图所示 优点 引入样品量小 样品蒸汽压可以很低 3 电离源电离源的功能是将进样系统引入的气态样品分子转化成离子 由于离子化所需要的能量随分子不同差异很大 因此 对于不同的分子应选择不同的离解方法 通常称能给样品较大能量的电离方法为硬电离方法 而给样品较小能量的电离方法为软电离方法 后一种方法适用于易破裂或易电离的样品 常见的离子源包括 电子轰击 EI 化学电离 CI 电喷雾电离 ESI 基质辅助激光解吸电离 MALDI A 电子轰击源 EI 电子轰击法是通用的电离法 是使用高能电子束从试样分子中撞出一个电子而产生正离子 即 式中M为待测分子 M 为分子离子或母体离子 电加热锑或钨的灯丝到2000 产生高速电子束 其能量为10 70eV 硬电离方式 只能用于远远小于生物有机分子的小分子 400Da以下 的检测 样品需经过汽化进入电离区 不适合难挥发和热不稳定的样品 能电离挥发性化合物 气体和金属蒸汽 B FBI快速原子 离子轰击离子源 FAB 使用高能量的惰性原子束 Ar 喷射样品靶上的样品和基质表面 基质是溶解样品的非挥发性溶剂 样品从基质中解吸附并汽化 离子化 基质的作用是溶解样品 吸收大部分能量 有助于样品离子化并保护样品不被高能量撞击破坏 适合分析高极性 相对分子量大难挥发 和热稳定相差的样品 对极性化合物测定不灵敏 常用的基质 甘油 乙二醇胺等 1 测定质量数可以做到7000Da 2 快速 3 软电离方式 碎片离子少 C 基质辅助激光解吸附离子源 MALDI MALDI是通过激光束照射样品与基质的共结晶而使样品分子电离 可以解决生物大分子的离子化难题 离子化过程与FBI有相似之处 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 1 质量数可达300 000Da 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 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PA5 3 羟基吡啶甲酸3HPAMALDI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 D 电喷雾离子源 ESI 4000v强电场中 使用强静电场电离技术使样品形成高度荷电的雾状小液滴从而使样品分子电离 1 质量数可达70 000Da2 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 E化学电离源 CI 化学电离法是通过离子 分子反应来进行 离子与试样分子按一定方式进行反应 转移一个质子给试样或由试样移去一个电子 试样则变成带 1电荷的离子 化学电离源一般先用高能电子 使CH4电离产生CH5 和C2H5 一旦小量样品 试样与甲烷之比为1 1000 导入离子源 试样分子 RH 与CH5 和C2H5 反应生成RH2 和R 然后可能碎裂 产生质谱 由 M H 或 M H 离子很容易测得其相对分子质量 CI是一种软电离方式 样品必须先汽化 不能测定热不稳定和难挥发的化合物 4 质量分析器 过滤器 质谱仪的质量分析器位于离子源和检测器之间 依据不同方式将样品离子按质荷比m z分开 质量分析器的主要类型有 磁分析器 飞行时间分析器 四极滤质器 离子捕获分析器和离子回旋共振分析器等 5 检测与记录质谱仪常用的检测器有法拉第杯 电子倍增器及闪烁计数器 照相底片等 现代质谱仪一般都采用较高性能的计算机对产生的信号进行快速接收与处理 同时通过计算机可以对仪器条件等进行严格的监控 从而使精密度和灵敏度都有一定程度的提高 二 质谱仪的主要性能指标A质量测定范围质谱仪的质量测定范围表示质谱仪所能进行分析的样品的相对原子质量 或相对分子质量 范围 通常采用原子质量单位 u 进行度量 测定气体用的质谱仪 一般质量测定范围在2 100 而有机质谱仪一般可达几千 现代质谱仪甚至可以研究相对分子量达几十万的生化样品 B分辨率分辨率 是指质谱仪分开相邻质量数离子的能力 即 对两个相等强度的相邻峰 当两峰间的峰谷不大于其峰高10 时 认为两峰已经分开 其分辨率为 R m1 m2 m1 m1 m其中m1 m2为质量数 且m1 m2 故在两峰质量数较小时 要求仪器分辨率越大 C 灵敏度有机质谱常用某种标准样品产生一定信燥比的分子离子峰所需的最小检测量作为仪器的灵敏度指标质谱仪的灵敏度有绝对灵敏度 相对灵敏度和分析灵敏度等几种表示方法 绝对灵敏度是指仪器可以检测到的最小样品量 相对灵敏度是指仪器可以同时检测的大组分与小组分含量之比 分析灵敏度则是指输入仪器的样品量与仪器输出的信号之比 质谱图 质谱图是以质荷比 m z 为横坐标 相对强度为纵坐标构成 一般将原始质谱图上最强的离子峰为基峰并定为相对强度为100 其它离子峰以对基峰的相对百分值表示 三 质谱图上离子峰的类型分子在离子源中可以产生各种电离 即同一种分子可以产生多种离子峰 主要的有分子离子峰 碎片离子峰 亚稳离子峰和同位素离子峰等 A 分子离子峰试样分子在高能电子撞击下失去一个电子产生正离子 即 分子离子的质量与化合物的分子量相等 键电子的电离顺序为 n电子 电子 电子奇电子离子 带有未成对电子的离子 OE 偶电子离子 外层电子完全成对的离子 EE 几乎所有的有机分子都可以产生可以辨认的分子离子峰 有些分子如芳香环分子可产生较强的分子离子峰 而高分子量的脂肪醇 醚及胺等则产生较小的分子离子峰 有时可能得不到分子离子峰 若不考虑同位素的影响 分子离子应该具有最高质量 有机化合物分子离子峰的稳定性顺序 芳香化合物 共轭链烯 烯烃 脂环化合物 直链烷烃 酮 胺 酯 醚 酸 支链烷烃 醇 质谱图上质荷比最大的峰一定为分子离子峰吗 如何鉴别分子离子峰 a 律 由 X 卤素 组成的有机化合物 一定是偶数 由 组成的有机化合物 奇数 奇数 由 组成的有机化合物 偶数 偶数 b 与邻近的峰相差是否合理分子离子不可能裂解出三个以上的氢原子和小于一个甲基的基团 故分子离子峰的左面不可能出现小于3 14个质量单位的峰 分子离子峰的判断标准 有机化合物受高能作用时产生各种形式的分裂 一般强度最大的质谱峰相应于最稳定的碎片离子 通过各种碎片离子相对峰高的分析 有可能获得整个分子结构的信息 因为M 可能进一步断裂或重排 因此要准确地进行定性分析最好与标准谱图进行比较 B 碎片离子峰分子离子产生后可能具有较高的能量 将会通过进一步碎裂或重排而释放能量 碎裂后产生的离子形成的峰称为碎片离子峰 烷烃化合物断裂多在C C之间发生 且易发生在支链上 烯烃多在双键旁的第一个键上开裂 正癸烷 C 亚稳离子峰若质量为m1的离子在离开离子源受电场加速后 在进入质量分析器之前 由于碰撞等原因很容易进一步分裂失去中性碎片而形成质量m2的离子 即m1 m2 m由于一部分能量被中性碎片带走 此时的m2离子比在离子源中形成的m2离子能量小故将在磁场中产生更大的偏转 观察到的m z较小 这种峰称为亚稳离子峰 用m 表示 它的表观质量m 与m1 m2的关系是 m m2 2 m1式中m1为母离子的质量 m2为子离子的质量 亚稳离子峰由于其具有离子峰宽 约2 5个质量单位 相对强度低 m z不为整数等特点 很容易从质谱图中观察 通过亚稳离子峰可以获得有关裂解信息 通过对m 峰观察和测量 可找到相关母离子的质量与子离子的质量m2从而确定裂解途径 D 同位素离子峰有些元素具有天然存在的稳定同位素 所以在质谱图上出现一些M 1 M 2 M 3的峰 由这些同位素形成的离子峰称为同位素离子峰 在一般有机分子鉴定时 可以通过同位素峰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之比符合一定的统计规律 P221表5 2 E 重排离子峰在两个或两个以上键的断裂过程中 某些原子或基团从一个位置转移到另一个位置所生成的离子 称为重排离子 质谱图上相应的峰为重排离子峰 转移的基团常常是氢原子的类型很多 其中最常见的一种是麦氏重排 这种重排形式可以归纳如下 可以发生这类重排的化合物有 酮 醛 酸 醋和其它含羰基的化合物 含P O S O的化合物以及烯烃类和苯类化合物等 麦氏重排条件 含有C O C N C S及碳碳双键 与双键相连的链上有 碳 并在 碳有H原子 氢 六圆环过度 H转移到杂原子上 同时 键发生断裂 生成一个中性分子和一个自由基阳离子 邻位重排 邻位效应发生的条件 苯环上有邻位取代基D为杂原子A原子上有H F 多电荷离子 多电荷离子指带两个或两个以上电荷的离子 多电荷离子质谱峰的m z值是相同结构单电荷离子值的1 n n为失去电子的数目 设有机化合物由A B C和D组成 当蒸汽分子进入离子源 受到电子轰击可能发生下列过程而形成各种类型的离子 同位素离子峰 四 有机质谱的裂解反应 离子峰的产生是化学键断裂的结果 化学键的断裂一般分三种 均裂 一个 键的两个电子裂开 每个碎片上各保留一个电子 异裂 一个 键的两个电子裂开 两个电子都属于某一个碎片 半异裂 均裂 单电子转移异裂 双电子转移 简单断裂的规律 含杂原子化合物易发生 断裂碳碳不饱和键相邻的C C键易断裂 芳环相邻的C C键易断裂 芳杂环的情况也类似 碳链分支处易发生断裂 饱和环易在环与侧链连接处断开当分支处由几种断裂可能时 大基团断裂优先产生电中性小分子的开裂优先空间位阻 二异丙基苯的三个异构体 邻位分子离子峰强度最低 对位最高 基本的质谱碎裂机制 1 自由基中心引发的 断裂 A饱和杂原子化合物的 断裂反应 自由基引发的 断裂反应 动力来自自由基强烈的电子配对倾向 该反应由自由基中心提供一个电子与邻接的原子形成一个新键 而邻接原子的另一个化学键则发生断裂 下面分述几种含n 电子化合物发生 断裂反应的情况 电负性 N S O Cl生成正离子的稳定性 N S O Cl 酯 酮 B含不饱和杂原子化合物的 断裂反应 P228 通式 C碳不饱和键化合物的 断裂反应 P228 烯 烯烃 芳烃的分子离子通过 断裂形成烯丙基离子 卓鎓离子是质谱反应的一个重要规律 甲苯 乙苯 强91的离子峰 2 电荷中性引发的i裂解 这是由正电荷引发的碎裂过程 它涉及两个电子的转移 动力来自于电荷的诱导 酮 氯代物 酯 i断裂与 断裂反应 1 杂原子为单键时 i断裂和 断裂所引起的断键位置是不同的 杂原子为重键时 i断裂并不导致重建的断裂 2 产物的电荷稳定通常比游离基稳定更重要 因此不同的物质断键方式可能不同 3 奇电子离子无论是发生i断裂和 断裂 一定产生一个偶电子离子和一个中性自由基 而偶电子离子不发生 断裂 发生i断裂时 占优势的是产生另一个偶电子离子和一个中性分子 3 环状结构的裂解反应 环的裂解反应中 带未成对电子的原子与其邻近的碳原子形成一个新键 同时邻近碳原子的另一个键断开 有新键生产的部分成为中性碎片 产物中一定有一个奇电子离子 环己烯的六元环可以通过逆DA RDA 反应生成碎片 生成产物与取代基有关 反应朝着易生成稳定的带电离子的方向进行 3 过程 这是当 键形成阳离子自由基时发生的碎裂过程 4 麦氏 Mclafferty 重排反应 具有以下结构通式A的化合物 可进行 H重排到不饱和基团上 并伴随发生 键断裂的麦氏重排反应 醛 酮 羧酸 酯都可发生麦氏重排 产生特征质谱峰 5 正电荷中心引发的重排反应非环状偶电子离子可发生类似以下经四员环过渡态的重排 6 氢重排到饱和杂原子上并伴随邻键断裂的反应 苯乙醚 酯 烯 举例 氢重排之后续反应可以是 也可以是i 这类重排可小结为 rd过程 重排的不是氢原子 而是一个基团 一般是烷基 偶电子离子氢的重排 芳环的邻位效应 离子丰度的影响因素 1 产物离子的稳定性反应产生离子的稳定性越高 丰度越大 酰鎓离子 烯丙基正离子 2 Stevenson规则奇电子离子的单键断裂产生两组离子和游离基产物 3 质子亲和能偶电子离子在裂解反应中 能量上有利于形成质子亲和能较低的中性产物 4 最大烷基丢失法在反应中心 首先丢失最大的烷基游离基 5 中性产物的稳定性产物的丰度与中性产物的稳定性成正比 5 4重要有机化合物的断裂规律和断裂图象 1 烃类 饱和 不饱和烃类 2 醇类 饱和 不饱和醇类 3 酚类4 醚类5 醛酮类6 羧酸类7 酯类8 酸酐类9 酰胺类10 胺类 1 饱和烃类A 直链烷烃分子离子分子离子 随着链的增加分子离子峰的强度逐渐下降 C1 100 C10 6 C16 小 C45 0 有m z 29 43 57 71 CnH2n 1系列峰 断裂 有m z 27 41 55 69 CnH2n 1系列峰 失去H2 C2H5 m z 29 C2H3 m z 27 H2有m z 28 42 56 70 CnH2n系列峰 四圆环重排 在CnH2n 1的系列峰 最强系列峰 中 一般m z43 57峰的相对强度较大为基峰 大多数情况下会出现M 29的峰 正癸烷C10H22 分子离子峰 M 29 CnH2n 1 CnH2n 1 CnH2n 正己烷 正十六烷 支链烷烃的断裂 容易发生在被取代碳原子上 优先丢失最大烷基 如 通常 分支处的长碳链将最易以游离基形式首先脱出 如出现了M 15的峰表明化合物可能含有侧链甲基 各支链处峰强度增大 支链烷烃的分子离子峰明显下降 支化程度高的烷烃检测不到分子离子峰 支链烷烃的CnH2n 1 和CnH2n 系列离子明显增强 B支链烷烃 发生 断裂 产生27 41 55 69 CnH2n 1系列峰 最强系列峰 m z41往往是基峰 2不饱合脂肪链烃 长碳链烯烃具有 H原子的可发生麦氏重排反应 产生28 42 56 70 CnH2n系列峰 键断裂还可产生CnH2n 1系列峰 烯烃易失去一个 电子 分子离子峰丰度要比烷烃强 由于烯烃有通过双键迁移进行异构化的倾向 双键的位置在裂解过程中并不完全固定 3环烷烃 1 分子离子峰较支链烷烃强 质谱图中可见m z为41 55 56 69 70等CnH2n 1和CnH2n的碎片离子峰 2 烷基取代的环烷烃容易丢失烷基 优先失去大集团 正电荷留在环上 A饱和环烷烃 B环烯烃 环己烯烃能进行逆D A反应和H 转移的断裂 生成54 67的碎片离子峰 54 4芳烃 芳烃的共轭体系非常稳定 电离能低 所以有很强的分子离子峰 碎片化倾向较弱 它们的分子离子峰有时为基峰 还有较弱的由91 77碎片离子峰进一步解离而产生的特征峰 C6H6 78 C5H5 65 五元环 C4H4 51 四圆环 C3H3 39 三元环 发生 断裂 产生苄基离子m z为91的特征峰烷基苯的 断键将出现C6H5CnH2n 系列峰 如77 苯环取代基 位置上有H的 发生麦氏重排产生C7H8 离子 m z92 5醇类 醇类分子离子峰都很弱 有的甚至不出现分子离子峰 容易发生 断裂反应 生成较强的CnH2n 1O 特征碎片离子 伯醇R OH 则生成CH2 O H m z为31的特征峰 仲醇则产生m z为45的特征峰 叔醇则产生m z为59的特征峰 31 14n的碎片离子峰 小分子醇会出现M 1峰 若邻近碳上有H原子 醇的分子离子峰易脱水形成M 18峰 含 H的长碳链的醇经过麦氏重排还会产生M 18 28 脱水的同时脱乙烯 或M 60的分子离子峰 同时产生CnH2n 1 CnH2n 1的碎片离子峰 A饱和醇类 系列峰 伯醇m z 31基峰 断裂 环己醇 6酚和芳香醇 分子离子峰很强 往往是基峰 易失去CO 及进一步失一个H原子 生成M 28和M 29的碎片离子峰 邻位含氢原子如邻甲苯酚还可失水形成M 18的离子峰 P245 苄醇 7醚类 A脂肪醚 芳香醚分子离子峰很弱 断裂反应 生成较强的R O CH2特征碎片离子 CnH2n 1O 系列峰i断裂反应 生成较强烷基离子峰 CnH2n 1系列峰 同时伴随有CnH2n系列峰 CnH2n 1系列峰 断裂产生的碎片离子可以进一步发生四元环过渡的重排反应 得到较强的m z为31 CnH2n 1 HO CHR 特征碎片离子与醇类的主要区别在于无M 18碎片离子峰 芳香醚的分子离子峰较强 裂解方式与脂肪醚相似 可见77 65 39等碎片离子峰 B硫醇 硫醚 M 的相对强度较相应的醇 醚强 硫醇 M 33 HS M 34 H2S 33HS 34H2S 发生 断裂 生成CnH2n 1S的含硫碎片 47 61 75 89 等 伴有CnH2n 1m z 43 57 71 85 99 113 CnH2n和CnH2n 1等 长链烷基硫醇尤为明显 长链还可发生 H重排 例如n C12H25SH 硫醚 C S 键断裂 正电荷往往带在含S碎片上 还可产生一系列烷基峰 断裂产生CnH2n 1S的含硫片 47 61 75 89 等 四元 H 五元 六元 H 过渡态氢的重排 M 的相对强度较相应的硫醇强 8含羰基化合物 醛 酮 酸 酯 酰胺 都有两处 断裂 其共同点一般是R基团大的容易失去 都会发生i 断裂反应 但一般i 断裂弱于 断裂 生成系列CnH2n 1的碎片离子峰当羰基上的烷基含 H时都会发生麦氏重排 且都是强峰 A醛和酮 醛和酮的分子离子峰是强峰 易发生 开裂 产生酰基阳离子 通常 R1 R2中较大者容易失去 断裂可产生M 1 活泼氢 M 29和m z29的强碎片离子峰 i断裂可产生CnH2n 1的烷基碎片离子峰 如 43 57 71可发生 重排时生成44 CnH2n的奇电子离子峰 芳香醛的分子离子峰强 苯甲醛的分子离子峰是基峰 M 1的强度也很大 酮裂解则产生经验式为CnH2n 1CO m z43 57 71 的碎片离子峰 这种碎片离子峰的m z与CnH2n 1 离子一样 可通过43 57两峰的相对强度判断是烷烃还是酮 酮的 氢重排生成58 14n的奇电子离子 芳香酮的分子离子峰明显增强 其裂解机理与酮和芳环的机理类似 环酮 B羧酸 酸酐和酯 脂肪族一元羧酸的分子离子峰弱 其相对强度随分子量增大而降低 小分子羧酸出现M 17 OH M 45 COOH 及M 18 H2O 氢重排生成强的m z为60 14n的羧酸特征离子 若能发生两次重排则生成60的乙酸的特征碎片离子峰 断键产生45 COOH 的特征碎片离子峰 i断键产生烃类的CnH2n 1系列碎片峰 脂肪族一元羧酸 芳香羧酸的峰相当强 显著特征是有M 17 M 45离子峰 邻位取代的芳香羧酸产生占优势的M 18失水离子峰 芳香羧酸 酯类 裂解可裂解产生M OR或M R的离子 甲酯M 31 OCH3 可发生 H重排 74 14n 乙酯以上的酯都可发生双H重排 断键可生成CnH2nCOOR系列的m z为73 87 101等含氧碎片离子 酸酐M CO2 是酸酐的特征离子峰 该峰往往会进一步发生失去CO的裂解反应 酰胺 1 含4个C以上的伯酰胺主要发生麦氏重排反应 2 不可能发生麦氏重排的酰胺主要发生或N的 键断裂 生成 m z44 离子的反应 44 3 还可发生 H重排 9胺类化合物 胺类化合物的M 较弱 含奇数个N M 的m z是奇数值 仲胺 叔胺或大分子伯胺M 峰往往不出现 键断裂正电荷带在含氮的碎片上 N稳定正电荷的能力大于O S 发生 断裂生成CnH2n 2N的含N特征碎片峰 m z30 44 58 等30 14n峰 H转移 小分子伯胺 仲胺 叔胺的 键断裂 其m z30 44 or44 14n 58 or58 14n 的峰为基峰或强峰 芳胺 10硝基化合物 脂肪族一元硝基化合物的分子离子峰很弱或不出现 主要特征离子峰是 M NO2 离子峰 芳香族硝基化合物的分子离子峰很强 并产生 M NO2 和 M NO 离子峰 11 腈类 脂肪族腈类的分子离子峰很弱 可通过麦氏重排产生CnH2n 1N 的分子离子峰 有时还可产生M 1 M 1峰 脂肪族腈类的分子离子峰很强 通常为基峰 M 27也很强 12 卤化物 可发生i断裂 生成 M X 峰 发生 断裂产生CnH2nX 通式的离子峰 含Cl Br的直连卤化物还可发生重排反应形成CnH2nX 通式的离子峰 可产生 M HX 脱卤化氢和CnH2n 1 的离子峰 碎片离子峰见P261 267 MS的应用 一 分子式的确定 1 利用同位素的丰度推导分子式 1 分子中氯 溴元素的识别 氯 溴均有A 2的同位素 因而出现M 2峰 如果分子中只有一个卤素原子 则M与M 2的峰强度比为3 1和1 1 如分子中含有多个卤素原子 则间隔两个质量数的质谱峰强度比为 a b n的展开式各项之比 a和b分别是两种同位素的丰度比 如分子中既有氯也有溴 则用 a b n c d m来计算 2 分子中硫 硅元素的识别 硫 硅也有A 2的同位素 但丰度较低 分别为4 2和3 4 其原子数目可用下式计算 取整数 3 分子中碳原子数目的确定 碳有13C同位素 其丰度为1 1 是A 1类同位素中丰度最大的 且碳是组成有机化合物最基本的元素 分子中碳原子数越多 13C出现的几率越高 M 1峰的高度也越高 2 利用Beynon表查阅可能的分子式 Beynon等利用同位素丰度以及M M 1 M 2离子峰的丰度比计算出可能的分子式 只含C H O N 制成Beynon表 二 分子结构的推测根据分子式和质谱图推测分子结构 1 根据分子式计算不饱和度 n1 n3 n4分别是分子中一 三 四价元素原子的数目 C2H5NO C6H6 C8H8O C9H10O2 C8H19N 2 根据质谱图确定分子量 3 研究质谱图的概貌 判断分子离子的稳定性 4 根据重要的低质量离子推测物质的类型 5 与标准物质的质谱对照 例1 根据以下MS图谱推测化合物的结构 例2 根据以下MS图谱推测化合物的结构 1 分子量为128 不含氮或含偶数个氮 2 出现43 57 71等峰 CnH2n 1或CnH2n 1CO 而无30 44等含氮的特征峰 可认为化合物不含氮 3 无苯基的特征峰 4 58 86 100为麦氏重排峰 因而表明分子中有C O 5 分子式为C8H16O 6 100的重排峰证明失去的是CH2 CH2 即有CH3CH2CH2C O存在 7 86的重排峰证明失去的是CH2 CH CH3 即有CH3CH2CH2CH2C O或 CH3 2CHCH2C O存在 8 化合物的结构为86的重排峰证明失去的是CH2 CH CH3 即有CH3CH2CH2COCH2CH2CH2CH3或CH3CH2CH2COCH2CH CH3 2 5 未知物质谱图如下 红外光谱显示该未知物在1150 1070cm 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 z88为分子离子峰 m z88与m z59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 z29 m z43离子峰 说明可能存在乙基 正丙基或异丙基 基峰m z31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 1720cm 1和3640 3620cm 1无吸收 可否定化合物为醛和醇 因为醚的m z31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 例3 7 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 8 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 z102 下一个质荷比的峰为m z87 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 z102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 z31 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 z87及强峰m z73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 z59 45分别对应m z87 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 z59 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 z45 31的峰 而无m z59 但质谱图中有m z59 而m z31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 综合谱图解析 用IR核对官能团 用13C NMR核对碳的类型和对称性 用1H NMR核对氢核的化学位移和它们相互偶合关系 必要时与计算值对照 最后确定一种可能性最大的结构 并用质谱断裂方式证明结构式推断无误 用UV核对分子中共轭体系和一些官能团的取代位置 或用经验规则计算 max值 例1 C6H10O3 解 1 该化合物的分子式为C6H10O3 示分子中不饱和度为2 2 各部分结构的推定 1 UV 表示有双键的存在 2 IR 1720及1750cm 1为俩个C O的伸缩振动 3 NMR谱 a 4 1 按其峰数和积分面积 示为 CH2 CH3 该峰位置示为 O CH2 CH3 3 5 按其峰数和积分面积 示为 CH2 且其邻位上无氢连接 按其峰位 示有一强吸电子基团与其连接 但该基团不是氧 d 1 2按其峰数和积分面积及峰位 应为CH3CH2 又因偶合常数与 4 1的四重峰相同故这俩个基团一定相互偶合 碎片结构为 O CH2CH3 c 2 2 按其峰数和积分面积 示为孤立 CH3 按其峰位 应与一弱吸电子基团相连 该吸收峰应与CH3 C O 结构相符 综合以上 可得到一下碎片 C O C O CH3CH2O 和孤立的 CH2 CH3 其正好符合C6H10O3 U 2 结构 A 化学位移最大的是CH2的单峰 应在 4 1区域有相当于2个氢核的吸收峰 而四重峰在 3 1附近 由于NMR并非如此 故 A 可排除 结构C在 4 2处应有相当于俩个氢核的四重峰 CH2CH3 在2 0ppm处应有相当于俩个氢核的四重峰 COCH2CH3 而图中2 0ppm处只有相当与俩个氢核的单峰 故结构 C 也可排除 结构B合理 例2 解 从所给出的图谱粗略可看出 UV光谱示无共轭系统 NMR也示无芳香系统 IR光谱示无芳香系统 但有C O CH2 CH3 1 由MS谱可找出M峰 其m z 114 故分子量为114 2 1709 强 C O有酮存在