课件--质谱.ppt

质谱MassSpectrometry 1 化工与制药学院 郭举Tel mail guoju1984 有机化合物波谱分析 2 概述 紫外 红外和核磁共振谱是吸收光谱 以分子吸收辐射能所引起的能量状态的变迁为基础的 质谱不是吸收光谱 而是用一定能量的电子流轰击或其它适当的方法打掉气态分子的一个电子形成带正电的离子 这些正离子在电场和磁场的综合作用下 按照其质荷比 m z 的大小依次排列成谱 被记录下来 成为质谱 什么是质谱 3 1918年由捷 丹普斯特 J Dempster 发明 1919年弗 胡 阿斯顿 F W Aston 制造 1940年 质谱仪才用于气体分析和化学元素的稳定同位素的测定 从上世纪六十年代开始利用质谱仪测定有机化合物的分子结构 质谱的历史沿革 4 1 可对气体 液体 固体等进行分析 分析范围广 2 可以精确测定样品的分子量 推测样品的分子式 结构式 HRMS可以直接给出分子式 3 分析速度快 灵敏度高 样品用量少 几分钟内可分析一个样品 样品常用量约1mg左右 极限用量只要几个微克就够了 4 可和一些分离技术相联用 有效扩大了质谱应用范围 使质谱成为一种检测的有力工具 质谱特点 5 MS仪器一般由真空系统 进样系统 样品的离子化系统 离子的分离系统和检测系统等构成 按质量分析器可分为静态仪器和动态仪器 即稳定磁场 单聚焦及双聚焦质谱仪 和变化磁场 飞行时间和四极杆质谱仪 第一节基本原理与质谱仪 一 质谱仪 6 1 进样系统 进样系统的作用是将待测物质 即试样 送进离子源 一般有直接进样 间接进样 色谱进样三种方式 直接进样 高沸点的试液 固体试样可用探针或直接进样器送入离子源 调节温度使试样气化间接进样 一般气体或易挥发试样色谱进样 色谱 质谱联用仪器中 经色谱分离的组分通过接口元件直接导入离子源 7 2 离子源 离子源是质谱仪的心脏部分 最早使用的电子轰击离子源 electronimpactsourse EI 至今仍是使用最广泛的最重要的离子源 它具有如下特点 电离效率高 灵敏度高 应用最广 标准质谱图基本都是采用EI源得到的 稳定 操作方便 电子流强度可精密控制 结构简单 控温方便 除了电子轰击离子源外 还有化学电离源 ChemicalIonization CI 场致电离源 FieldIonization FI 8 3 质量分析器 质谱仪的主体 质量分析器的作用是将离子源产生的离子按照质荷比m z的大小分离 使符合条件的离子飞过分析器 不符合条件的离子即被过滤掉 常见的有单聚焦质量分析器 双聚焦质量分析器和四极滤质器等 4 检测器 检测各种质荷比的离子 9 Agilent7500系列MS 10 二 质谱基本原理 有机化合物样品在高真空 1 33 10 3 1 33 10 4Pa 条件下受热气化 气化了的分子在离子源内受到高能电子束轰击 electronimpact EI 形成正离子 通常分子中离解位能最低的电子将首先被打掉 成为带单位正电荷的分子离子 11 2 1分子碎片的产生 高能电子束能量 50 70eV一般有机物离解能 9 15eV分子离子会进一步发生离解 生成许多不同的碎片 正离子 中性分子 自由基和极少数负离子 12 2 2正离子碎片的探测 正离子在电场中的位能等于其加速后的动能 由磁场产生的向心力与由动能产生的离心力相等 由公式 1 和 2 可得 1 2 3 z 正离子的电荷 m 正离子的质量 v 正离子运动的速度 V 正离子的加速电压 H 磁场强度 R 离子弧形运动的曲率半径 13 2 3质谱的表示 1 质谱图 2 质谱表 基峰 分子离子峰 M M 1 M 2 15 2 4质谱的术语 质荷比 mass to chargeratio m z 通常情况下 z 1峰的强度或相对丰度 RelativeAbundance 相对于最强峰的强度基峰 basepeak质谱图中的最强峰 RA 100 16 三 离子源 离子源的作用是使样品分子转化为离子 使分子电离的手段很多 因此有不同的离子源 样品气化后 气态分子受一定能量的电子冲击 使分子电离和裂解而产生各种正离子 优点 易于实现电离 重现性好 提供碎片信息多 是最为常见的离子源 缺点 当样品相对分子质量较大难以气化或对热稳定性差时 常常得不到分子离子峰 因而不能测定这些样品的相对分子质量 1 电子轰击质谱 EI MS 17 通过引入大量的试剂气体产生的反应离子与样品分子之间的离子 分子反应 使样品分子实现电离 2 化学电离质谱CI MS 因此 样品的离子是由分子离子反应产生的 这样产生的离子能量较小 故碎片较少 优点 即使是不稳定的化合物 也能得到较强的准分子离子峰 即M 1峰 从而有利于确定其分子量 缺点 碎片离子峰较少 可提供的有关结构方面信息少 18 3 快原子轰击质谱 FAB MS 从离子枪射出的一次离子ArA 经加速后在碰撞室与ArB碰撞 并交换电荷 产生高速中性粒子 ArA 该高速中性粒子进一步撞击试样即可使之电离 得到分子离子及其进一步裂解的碎片 由于配备了阴离子捕获器 还可给出相应的阴离子质谱 与阳离子质谱互相补充 大大增加了信息来源及可信程度 19 FAB MS在结构研究中应用比较普遍 适用范围较广 几乎各类天然成分都能利用它来测得分子量和获得主要碎片离子的信息 FAB MS由于在电离过程中并末受到加热 常用于难气化 热不稳定 高极性化合物 特别是对于糖苷类化合物的研究 除得到分子离子峰外 还可得到糖甚至苷元的结构碎片峰 20 四 质谱中离子的主要类型 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 20 有机化合物的分子受到外来电子撞击后 绝大多数是失去一个电子 分子中带有一个正电荷 这种带正电荷的粒子就叫做分子离子 1 分子离子 21 由于有机分子除极少数外 都具有偶数个电子 故单电荷的分子离子也是一个自由基离子 由中性分子变成分子离子的过程 22 分子离子的电荷位置 目前一般认为有以下几种情况及表示法 分子中含有杂原子 如 氧 氮和硫原子等 由于均有未成键的孤对电子 因而易失去一个电子 带一个正电荷 23 缺乏杂原子但含有双键的分子离子 一般认为正电荷位于双键的一个碳原子上 因为双键的 电子之一较易失去 24 既缺少杂原子 又缺少双键的分子离子 其正电荷有时可表示在季碳上 这样的离子称为锬离子 25 上述条件均不具备 或者不必确定正电荷的准确位置时 可用或来表示分子离子 26 分子失去电子的难易程度 杂原子上的未成键电子 C C C C C H 分子离子峰的强度决定于其稳定性 1 芳香化合物 共轭多烯 脂环化合物 短直链烷烃 某些含硫化合物 2 直链的酮 酯 酸 醛 酰胺 卤化物等通常显示分子离子峰 3 脂肪族的醇 胺 亚硝酸酯 硝基化合物 腈等化合物以及高分支化合物无分子离子峰 27 1 1 分子离子峰的判别 分子离子峰应该是质谱中质量数最大的峰 分子离子峰必须是一个奇电子离子 凡不含氮原子或只含偶数个氮原子的有机分子 其分子量必为偶数 而含奇数个氮原子的分子 其分子量必为奇数 这个规律成为氮规则 应有合理的碎片丢失 在质谱中与分子离子峰紧邻的碎片离子峰 必定是由分子离子失去一个化学上适当的基团或小分子形成的 如失去H CH3 H2O C2H5 因而质谱图中可看到M 1 M 15 M 18 M 28等峰 而不可能出现M 3 M 14 M 24等峰 被拟定的分子离子峰的强度与假定的分子结构必须相适应 28 一般情况 碳数较多 碳链较长和有支链的分子 分裂的可能性较大 分子离子的稳定性差 而有 键的芳香族化合物和共轭链烯的分子离子稳定 分子离子峰大 当分子离子峰出现为基峰时 该化合物一般都是芳环 杂环或共轭多烯 当分子离子峰很弱或不出现时 该化合物一般是含杂原子的化合物 如醇 胺类化合物 29 2 同位素离子 M 1和M 2离子峰通常与M 分子离子峰同时出现 这些峰是由同位素引起的 称为同位素离子峰 1 CHNO元素数目的估计和计算 如分子式为CwHxNyOz时 计算M 1峰贡献的公式为 计算M 2峰贡献的公式为 30 2 Cl和Br元素的识别和数目计算 若分子中含一个Cl或Br 则质谱中会出现M和M 2离子峰 它们的强度必分别为3 1和1 1 若分子中含几个Cl或Br 可根据二项式 a b n来计算其M 2 M 4 M 6 同位素峰的强度 式中 a和b分别为轻重同位素的相对丰度 n为分子中含同位素原子的个数 由 a b n展开后得到的各项值即为各同位素的相对强度 31 3 碎片离子 含较高内能的分子离子在离子源中会进一步裂解而生成碎片 质谱图中低于分子离子质量的离子 除准分子离子 双电荷离子 亚稳离子外 都是碎片离子 碎片离子生成方式 简单裂解 重排裂解 氢重排裂解 骨架重排裂解 32 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 3 1裂解 分子离子的裂解主要发生在分子中的薄弱环节 33 表示法 1 均裂 34 2 异裂 表示法 35 3 2裂解类型 1 裂解 这类裂解在有机化合物的质谱中很普遍 主要发生在分子中含有氧 硫和氮原子的脂肪族化合物 在这些化合物中 均含有C X或C X基团 X O N S 与这个基团中碳原子相连的化学键 键位的裂解 故称 裂解 36 杂原子对正电荷的稳定顺序 N S O 37 裂解属于均裂 裂解后组成一新键而使正电荷得到稳定 38 2 裂解 当分子中含有C X基团 X多为O N和S 也可以是C 并且与这个基团相连的键上具有 氢原子 这个 氢原子可以转移到X原子上 同时 键裂解 故称 裂解 这种裂解方式也很常见 39 麦氏重排 McLaffertyrearrangmeat 40 举例 41 薄荷酮 42 当C X基团与两个具有三个碳原子以上的键相连 且均有 氢原子时 则能发生两次麦氏重排 43 3 烯丙裂解 在具有双键的烃链中 常常发生烯丙裂解 都在双键的 键处进行裂解 生成的离子叫做烯丙离子 44 4 苄基裂解 这是具有侧链取代的芳香化合物的一个普遍的裂解方式 芳香环侧链 键是一个活化键 与烯丙的 键相似 很易裂解 所以苄基裂解也是 键裂解的一种形式 产物是苄基离子 也可以扩环成卓鎓离子 45 如 46 举例 47 5 逆狄尔斯 阿尔德反应 RDA 48 例 49 例 50 例 51 某一离子脱离离子化室后 在飞行过程中发生开裂而形成了低质量的离子 这种低质量单位的离子叫亚稳离子m 它所产生的峰叫亚稳离子峰或亚稳峰 m m22 m1 4 亚稳离子 52 一般的碎片离子的峰都很尖 但亚稳离子峰钝而小 2 亚稳离子峰一般要跨2 5个质量单位 3 其质荷比一般都不是整数 判别方法 53 亚稳离子的出现可以确定某一个开裂过程的存在 即确定m1 m2的开裂过程 但要注意 并非所有开裂过程都产生亚稳离子 因此 没有亚稳离子峰的出现 并不意味着没有某一个开裂过程 意义 54 1912 206 177 55 五 重要有机化合物的质谱特征 1 饱和烃类直链烷烃分子离子 首先通过均裂失去一个烷基游离基并形成正离子 随后连续脱去28个质量单位 CH2 CH2 在质谱图上 得到实验式是CnH2n 1 即m z29 43 57 的系列峰 此外 在断裂过程中 由于伴随失去一分子氢 故可在比碎片离子峰低二个质量单位处出现一些链烯的小峰 从而在质谱图上得到实验式是CnH2n 1 即m z27 41 55 的另一系列峰 56 在CnH2n 1的系列峰中 一般m z43 57峰的相对强度较大 分子离子峰的强度则随其相对分子质量的增加而下降 但仍清晰可见 正癸烷 57 58 支链烷烃的断裂 容易发生在被取代碳原子上 这是由于在正碳离子中 稳定性顺序如下 通常 分支处的长碳链将最易以游离基形式首先脱出 脱去游离基的顺序是 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 59 m z 9 9 C 7 1 1 3 C 9 C 1 0 C 1 2 C 1 6 M 1 5 M 5 M e t h y l p e n t a d e c a n e C H 3 C H 2 3 C H C H 2 9 C H 3 C H 3 8 5 1 6 9 1 4 1 5 7 60 2 烯烃 烯烃质谱有下列特征 a 其分子离子峰明显 强度随分子量增大而减弱 因为烯烃易失去一个 电子 b 烯烃质谱中最强峰 基准峰 是双键 位置C 一C 键断裂产生的峰 烯丙基型裂解 带有双键的碎片带正电荷 出现m z41 55 69 83 等 CnH2n一l 系列的离子峰 长链烯烃还有 CnH2n l 61 c 烯往往发生McLafferty重排裂解 产生CnH2n离子 d 环已烯类发生逆向狄尔斯阿尔德裂解 62 3 芳香族化合物芳香族化合物有 电子系统 因而能形成稳定的分子离子 在质谱图上 它们的分子离子峰有时就是基峰 此外 由于芳香族化合物非常稳定 常常容易在离子源中失去第二个电子 形成双电荷离子 在芳香族化合物的质谱中 常常出现m z符合CnHn 的系列峰 m z78 65 52 39 和 或 m z77 76 64 63 51 50 38 37的系列峰 后者是由于前者失去一个或两个氢后形成的 这两组系列峰可以用来鉴定芳香化合物 63 64 芳香族化合物可以发生相对于苯环的 开裂 烷基芳烃的这种断裂 产生m z91的基峰 进一步失去乙炔 产生m z65的正离子 芳香醚发生 断裂后 产生的正离子为 65 正离子不稳定 失去CO后 生成m z65离子 硝基化合物首先经历一个重排 然后失去NO 产生与芳香醚同样类型的离子 最后生成m z65离子 66 芳香醛 酮和酯类化合物发生 断裂后 产生m z105的 然后进一步失去CO 生成m z77的苯基阳离子 67 芳香化合物也可发生 断裂 生成m z77的苯基阳离子 然后进一步失去CH CH生成m z51 C4H3 离子 68 69 70 4 醇 酚 醚 1 脂肪醇 分子离子峰强度很低 因为容易失去一个H2O 醇容易发生 断裂 形成m z符合31 14n的正离子 71 72 2 酚和芳香醇 分子离子峰较强 易失去CO和CHO 生成M 28和M 29的碎片离子峰 3 醚 分子离子峰强度较低 但比醇高 73 脂肪醚易发生以下断裂 醚类化合物除可发生 断裂外 也能发生 断裂 例如 74 75 芳香醚的分子离子峰较强 5 醛和酮醛和酮的分子离子峰均是强峰 醛和酮容易发生 开裂 产生酰基阳离子 通常 R1 R2中较大者容易失去 但是 醛上的氢不易失去 常常产生m z29的强碎片离子峰 76 酮则产生经验式为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 当有 氢存在时 醛和酮均能发生麦氏重排 产生m z符合44 14n的碎片离子 例如 甲基正丙基酮的重排峰为m z58 正丁醛为m z44 77 78 79 6 羧酸 酯和酰胺羧酸 酯和酰胺容易发生 开裂 产生酰基阳离子或另一种离子 在羧酸和伯酰胺中 主要是 1断裂 产生m z45 HO C O 和m z44 H2N C O 的离子 在酯和仲 叔酰胺中 主要发生 2断裂 80 当有 氢存在时 能发生麦氏重排 失掉一个中性碎片 产生一个奇电子的正离子 在酸 酯中得到的奇电子的正离子的m z值符合60 14n 而酰胺符合59 14n 81 7 胺胺容易发生 断裂 形成m z符合30 14n的亚胺正离子 构成质谱图上的主要强峰 例如 8 卤化物卤化物容易发生C X键断裂 正电荷可以留在卤原子上 也可留在烷基上 82 卤化物有类似于醇的脱水过程 脱去HX 此外 卤化物可发生 开裂 形成卤正离子 83 六 高分辨质谱 以12C为标准 C H O N等同位素的精密质量如下 12C 12 00000000 标准 1H 1 0078246 16O 15 9949141 14N 14 0030738 84 用低分辨质谱仪测定时 CO N2 C2H4和CH2N的质量都是28 但如果改用高分辨质谱仪测定 就可以得到误差为 0 006的精密质量 上述的元素组成 精密质量各为 CO 27 994914 N2 28 006147 C2H4 28 031299 CH2N 28 018723 故根据精密质量就可以加以区别 注意 HRMS不仅能确定分子式 而且还能确定碎片的组成式 85 1 对分子离子峰区进行解析 确认分子离子峰及相对丰度 判断分子稳定性 根据奇偶规律判断含氮或不含氮 M 1 M M 2 M等值 判断分子中是否含S Cl Br 根据HRMS 推定分子式 根据分子式 计算不饱和度 七 质谱解析程序 86 2 对碎片离子进行分析 注意碎片离子峰及其相对丰度 利用HRMS决定主要碎片离子峰的组成 解释较强的碎片离子峰的来源 3 列出部分结构单元4 列出可取结构式利用波谱或化学手段排除不可取的结构式 最后确定分子结构 87 5 相对分子质量的测定 利用分子离子峰的m z可准确地确定该化合物的相对分子质量 一般来说 除同位素峰外 分子离子峰一定是质谱图上质量数最大的峰 位于质谱图的最右端 但是 某些化合物的分子离子峰稳定性差 分子离子峰很弱或不存在 全部为碎片离子峰 给判断分子离子峰带来困难 在判断分子离子峰时应注意以下问题 1 分子离子峰必须符合氮数规律 组成有机化合物的主要元素C H O N S X中 只有N的化合价为奇数 而质量数为偶数 14 88 1 含有偶数 包括零 N时 其分子离子峰的m z一定是偶数 2 含有奇数N原子时 其分子离子峰的m z一定是奇数 凡不符合氮规律的离子峰一定不是分子离子峰 氮规律 2 利用碎片的合理性判断离子峰 有机化合物受到电子轰击后 分子离子可以裂解出游离基或中性分子等碎片 若裂解出一个 H 两个 H 或 CH3 H2O C2H4等碎体 对应的碎片峰为m 1 m 2 m 15 m 18 m 28等 这些是合理的碎片峰 若分子离子峰与邻近离子峰的质量差为4 13 21 25等为不合理 89 3 当化合物中含S Br Cl时 可利用M与M 2峰的比例来确定分子离子峰 35Cl 79Br 32S的同位素37Cl 81Br 34S相对丰度较大分别为 75 77 50 537 95 00 24 33 49 463 4 22 M 2的同位素峰十分明显 通过M和M 2峰的比例来确认 例 若分子中含一个氯原子 M和M 2强度比为3 1 若分子中含一个溴原子 M和M 2强度比为1 1 90 4 分子离子稳定性规律 一般情况 碳数较多 碳链较长和有支链的分子 分裂的可能性较大 分子离子的稳定性差 而有 键的芳香族化合物和共轭链烯的分子离子稳定 分子离子峰大 当分子离子峰出现为基峰时 该化合物一般都是芳环 杂环或共轭多烯 当分子离子峰很弱或不出现时 该化合物一般是醇类化合物 确认分子离子峰 以此确定分子式 根据分子式计算不饱和度 研究低质量离子系列 推测化合物类型 从小的中性丢失推断所含官能团 寻找特征离子 获取结构上的信息 根据亚稳离子的质量判断裂解过程 判断生成基峰和其它主要离子峰的裂解类型 将已知碎片组合 搭建分子骨架 复原结构 确证分子结构 八 解析质谱的程序总结 92 常见特征丢失 Ion Fragmentlost Structuralorfragmentationtypesindicated M 1M 15M 18M 28M 29M 34 M 35 M 36 M 43M 45M 60 HCH3H2OC2H4 CO N2CHO C2H5H2SCl HClCH3CO C3H7COOHCH3COOH Alde