波谱分析第五章质谱.ppt

第五章质谱 massspectrometry 简称MS 学习目的 通过本章的学习 明确有机质谱的研究对象 理解质谱计的工作原理及质谱的产生过程 掌握质谱中离子的主要类型以及各类有机化合物的质谱裂解过程和规律 学会用质谱法确定有机化合物的分子量及分子式 初步掌握简单化合物质谱图的解析 本章主要内容 质谱法概述5 1质谱法基本原理5 2分子离子 M 的裂解类型和裂解规律5 3亚稳离子5 4常见有机化合物的质谱5 5质谱解析方法 质谱法概述 质谱法包括原子质谱和分子质谱 分子质谱法讨论的是如何用质谱获得有机化合物结构信息 包括分子式分子量及分子结构 并进行定性定量分析 具体过程如下 有机化合物在高真空中受热汽化 气态分子受一定能量的电子流 或其它能量 轰击以后 失去一个价电子成为带正电荷的离子 称分子离子 由于分子离子存在较高的内能 并进一步碎裂为碎片离子 这些带正电荷的离子在电场和磁场综合作用下 按照质荷比 m z 的大小 依次排列 排列成的谱图叫质谱图 其所用的仪器称为质谱仪或质谱计 根据质谱图中峰的位置 可进行结构分析 根据峰的强度可进行定量分析 5 1质谱法基本原理 5 1 1质谱仪工作原理 进样系统 电离室 质量分析器 检测器 质谱图 高真空系统 加速区 放大显示 直接进样 间歇进样 GC MS LC MS等 EI CI FI FD FAB MALDI ESI 单聚焦 双聚焦 四极质量分析器飞行时间质谱计 离子阱 Fourier变换 5 1 2质谱基本方程 即质量分析器工作原理 以单聚焦质谱仪为例来说明M e M 2e其质量为m 电荷为z 若其寿命大于10 6s 就能受到加速板上电压为U的作用加速到速度v 注 忽略正离子的初始速度 其动能为 1 2 mv2 而在加速电场中所获得的电势能为zU 并转变为动能 因此 zU 1 2 mv2 当高速的正离子离开加速区进入磁场区后 在磁场强度为B的磁场作用下 使正离子的轨道发生偏转 进入半径为R的径向轨道 这时离子所受到的向心力为Bzv 离心力为mv2 R 保持离子在半径为R的径向轨道上运动的必要条件是 Bzv mv2 R 整理 和 式得 或 现在来讨论 式 1 由 式 若固定B和U则正离子运动的半径R仅取决于m z 所以m z不同的离子偏转半径不同 在磁场中被分开 通过出射狭缝到达检测器 狭缝需移动 2 若固定R 连续改变B或U 则可使不同m z的离子依次通过狭缝 到达检测器 R B固定 改变U U小 U大 先收集到什么离子 R U固定 改变B B小 B大 先收集到什么离子 5 1 3质谱的表示法1 质谱图及质谱表 苯乙酮的质谱图 2 质谱图中离子峰的种类一张质谱图上可以看到许多峰 这些峰的位置 m z 与强度是和分子的种类 结构及电离方法有关 具体有如下离子种类 分子离子峰 碎片离子峰 同位素离子峰 亚稳离子峰 多电荷离子峰 重排离子峰 5 1 4质谱仪的主要性能指标质谱仪的技术指标很多 各厂商使用的定义和测试方法也不同 但主要有下列几点 1 分辨率 R resolution 两个刚好完全分开的相邻的质谱峰之一的质量数与两者质量数之差的比值 m1 m2 注 R10000称中高分辨率 Fourier变换质谱仪的R达到10万 一般质谱仪的R在500 50000之间 2 灵敏度 S sensitivity 绝对灵敏度 指仪器可检测的最小样品量 要注明S N 相对灵敏度 指仪器可同时检测大组分与小组分的含量比 分析灵敏度 指进入仪器的样品量与仪器记录出的峰的强度之比 3 质量范围 Massrange 指仪器能够测量的最大质量数 5 1 5分子量的确定1 分子离子峰的识别质谱的一个很大用途就是用来确定化合物的分子量 而要得到分子量首先要确定质谱图中分子离子峰 分子离子峰是由有机物分子受电子轰击后失去一个价电子而形成的带正电荷的离子 由于有机物分子的电子数都是偶数 所以单电荷的分子离子是一个自由基离子 奇电子离子 OE 如何确定M 峰 纯样品的质谱中M 峰应具备下列条件 1 在质谱图中有最高质量数的质谱峰 注意 m z最高值可能是同位素离子峰 但弱 m z最高值可能是质子化离子峰 M H 2 分子离子具有奇数个电子 金属有机化合物除外 3 氮规则 NitrogenRule 有机化合物主要由C H O N P S Si X等元素组成 其中只有氮原子化合价为奇数 质量数为偶数 因此有氮规则 只含有C H O N的有机化合物 不含氮原子或含有偶数个氮原子的化合物其分子量为偶数 含有奇数氮原子的化合物其分子量为奇数 例如 C2H630CH3NH231H2NNH232注意 若是碎片离子时 由电子转移 复杂断裂 等产生的奇电子离子 其质量数符合上述氮规律 由简单断裂生成的偶电子离子则刚好相反 4 合理的中性碎片 小分子及自由基 的丢失 即要注意m z最高值与邻近离子的质量差是否合理 5 改变实验条件检验M 可降低EI法中的电压 从常用的70eV降为15eV 若M 峰强度增加 则可能是M 反之则不是M 采用各种软电离法 如CI FI FD FAB MALDI ESI等 可获得很强的M 或 M H 6 M 峰和 M 1 或 M 1 峰的判别醚 酯 胺 酰胺 睛 氨基酸酯 醇胺等其 M 1 峰可能明显强于M 峰 芳醛 某些醇或某些含氮化合物则可能 M 1 峰强于M 峰 2 M 峰的强度和化合物结构的关系M 峰的相对强度依赖于M 的稳定性 当分子具有大共轭体系时 其稳定性高 其次是有 键化合物的M 稳定性较高 各类化合物M 稳定性次序如下 芳香环 芳香杂环 脂环 硫醚 硫酮 共轭烯烃 直链烷烃 酰胺 酮 醛 胺 酯 醚 羧酸 支链烃 睛 伯醇 叔醇 缩醛 5 1 6分子式的确定1 用高分辨率质谱仪法高分辨率质谱仪可以把M 或碎片离子的m z精确地测定出来 并精确到小数点后六位 因此可以得到分子式或碎片离子的元素组成 例如 C11H20N6O4C12H20N4O5精确计算 300 154592300 143359目前 高分辨率质谱仪可根据精确测定的分子量自动求出相应的元素组成及分子式和质谱的每个离子的元素组成 便于推断有机物的结构 2 用低分辨率仪器 同位素丰度法所有元素 除I F P外 都具有天然同位素 其相对丰度已经确定 参见教材176页表6 3 因此 在有机化合物的质谱中 比最丰同位素 如12C 1H 16O 14N 组成的分子离子或碎片离子质量高1 2 3 4或更高质量单位处出现的峰M 1 M 2 M 3 一般是由较重的同位素引起的结果 叫同位素离子峰 所以在质谱图中 分子离子或碎片离子不是单一的 通常都是成族的 称同位素峰族 同位素离子峰的丰度 离子中存在该元素的原子数目乘该同位素的相对含量 理论上 例如 CH4 因为13C的丰度是12C的1 1 所以CH4的M 在m z 16处伴随着一个m z 17的 M 1 峰 强度为m z 16的1 1 即M 1 M 1 1 对于CH3CH3 m z 30 M 处伴随着一个m z 31 M 1 峰 M 1 M 1 1 2 2 2 相反 根据质谱图中M和M 1的相对强度比可求算出分子中所含碳原子的数目 近似值 例如 在一张质谱图中 测得M M 1 100 24该化合物含有多少碳原子 同位素峰丰度的具体计算公式 一般来说 对于分子式为CwHxNyOz的化合物其M 1峰及M 2峰对M峰的相对强度可用下式计算 应考虑各种同位素原子的影响 相反 我们可以应用一个分子离子同位素峰族的相对强度来推测化合物的分子式 具体方法是 首先准确测定M M 1 M 2峰的相对强度 计算M 1 M和M 2 M百分比 然后根据质谱所得的M 1 M和M 2 M的百分比与Beynon表中的计算值相比较 就可推测分子式了 Beynon表参见教材附录 例1 某一化合物 质谱实验测得M m z 150 M M 1 M 2峰的相对丰度比如下 推测其分子式 m z丰度比150 M 100151 M 1 10 2152 M 2 0 88 要是一个化合物含有Cl或Br或S等元素时 在分子离子区出现同位素峰族各峰的相对强度可用二项式 a b n的展开式计算 式中 a 轻质同位素的相对丰度的比值b 重质同位素的相对丰度的比值n 分子中含该同位素原子的数目代入a b n的具体数值 展开式的各项有其相应的计算值 它们代表同位素峰族的各峰的相对强度 具体是 第一项计算值 表示离子全部由轻质同位素组成 第二项计算值 表示离子含有一个重质同位素的原子组成 其余类推 课堂练习CHCl3的质谱图中 在M 峰附近 各同位素峰的丰度比是多少 答案是 M M 2 M 4 M 6 27 27 9 1 当一个分子中含有不同的多种同位素时 如含氯和溴原子 则同位素峰族各峰之间的强度比可按下式计算 a b m c d n式中 a和b分别代表氯元素轻和重质同位素的相对丰度比 a b 3 1 c和d分别代表溴元素轻和重质同位素的相对丰度比 c d 1 1 m 氯原子的数目n 溴原子的数目 请计算含两个氯和一个溴化合物的分子离子同位素峰族各峰的强度比 例2 质谱测得某化合物的M m z 78 M M 1 M 2相对丰度分别为 M 78 100 M 1 79 3 48 M 2 80 5 0 推测化合物的分子式 5 2分子离子 M 的裂解类型和裂解规律 前已述及 M 可进一步裂解为碎片离子 M 的断裂比较复杂 研究M 的断裂机理或规律对解析质谱及推测化合物的结构有很大帮助 5 2 1M 的裂解类型及其机理裂解类型主要包括 简单断裂 H重排裂解 复杂开裂 骨架重排 下面分别讨论 1 简单断裂 单纯开裂 发生简单断裂时 仅有一根化学键断开 形成碎片正离子和中性碎片的反应称简单断裂 从电子转移的角度 化学键断裂的方式可以是均裂 X Y X Y 电子向两边转移 异裂 X Y X Y 两个电子向一个方向转移 半异裂 X Y X Y 单个电子向一个方向转移 从结果可以看到 M 碎裂的结果都生成一个偶电子离子和一个单电子的中性碎片 按照McLafferty 麦氏 的观点 简单断裂有两种重要的机理 即 裂解和诱导裂解 i 裂解 1 裂解 指分子离子中的游离基有强烈的电子配对倾向而使反应发生 这时单电子与邻近原子形成一个新键 同时伴随着邻近原子的另一个键断裂 注 只有奇电子离子 OE 才能引发 裂解 偶电子离子 EE 不能 裂解有三种类型 在饱和杂原子上的游离基引发通式 R CR2 Y R R CR2 YR其中Y X 卤代烷 O 醇 醚 N 胺 S 硫醚 等 在不饱和杂原子上的游离基引发通式 R CR Y R CR Y羰基化合物 醛酮酯等 属于这种类型的裂解 在碳 碳不饱和键上的游离基引发例如 烯类化合物易发生 裂解 生成烯丙基正离子 称烯丙基裂解 R CH2 CH CH2 R CH2 CH CH2 R CH2 CH CH2CH2 CH CH2 2 诱导裂解 i 裂解 是指由正电荷吸引一对电子而引起的裂解反应 并发生电荷转移 对于奇电子离子 OE A B A B 对于偶电子离子 EE A B C A B C 中性碎片 e i 总结 一般讲 i 裂解的重要性小于 裂解 但二者是相互竞争的反应 进行 裂解的倾向平行于游离基处给电子的能力 大致顺序为 N S O R Cl Br I 进行i 裂解时 一对电子发生转移 生成稳定的碎片离子是有利的 具体顺序是 卤素 O S N C 由上两点可见 含氮化合物一般进行 裂解 而含卤素的化合物则易发生i 裂解 当化合物不含杂原子 也没有 键时 只能发生 断裂 R R R R R R 半异裂 2 重排裂解重排裂解是涉及两个键的断裂 或两个以上 脱去一个中性分子 还有发生氢重排 重排结果产生了在原化合物中不存在的结构单元的离子 具体有以下几种类型 e 麦氏重排 H重排 属于 裂解机理 麦氏重排可生成两种重排离子 其通式为 由上可知 可以发生麦氏重排的化合物有 醛 酮 酸 酯 酰胺 磷酸酯 亚硫酸酯 腈 亚胺以及烯烃和烷基取代的苯环 因此麦氏重排是质谱中最重要的裂解方式之一 在结构鉴定中十分有用 麦氏重排的特点 a 奇电子离子的反应物重排得到的仍然是奇电子产物 即重排的结果正电荷一般留在含杂原子的碎片上 而且这个离子峰往往是质谱图中的特征峰 或基峰 b 是自由基引发的裂解 即 裂解 c 断裂两根键 产生新的碎片离子 d 过渡态是六元环 一些常见化合物进行麦氏重排所生成的重排离子如下 化合物类别 烯 烷基苯 醛 酮 羧酸 最小重排离子 最小碎片质量数 羧酸酯 甲酸酯 酰胺 腈 硝基化合物 上述列出的是常见化合物所产生的麦氏重排的最小质量数的重排离子 对其同系物来讲 其重排离子的质量数相应再增加n 14 n为正整数 课堂练习 1 丁苯的质谱图如下 解释各离子峰的形成过程2 4 辛酮的质谱图如下 请解释各离子峰的形成过程 4 辛酮质谱图 m z 逆Diels Alder反应 RDA 对于具有环内双键的化合物可进行RDA 双氢重排 开裂需要两个氢原子的重排乙酯以上的酯较易找到这种双氢重排 形成m z 61 14n 的偶电子离子 注 如遇到用 裂解或一般重排无法解释的离子峰时 就应考虑是否由双氢重排产生的 这样的重排在酯类化合物中是很普遍的 当然在酰胺 酰亚胺 碳酸酯 磷酸酯和其它含不饱和键的化合物都会产生同样的重排 饱和分子的重排裂解某些含杂原子的饱和化合物可发生重排裂解 例如 常见的例子是醇类失水或失水及乙烯的重排反应 正丁醇以上的伯醇在失水的同时失烯 氘同位素实验指出 链状醇 碳原子数 4 90 失水是通过1 4 消去反应 六元环过渡态 进行的 因此醇类的M 峰往往很难看到 看到的往往是失水后形成的碎片离子 另外 R SH R Cl和R F等也有类似醇的裂解 脱去H2S HCl HF而产生相应的碎片离子 比较而言 R NH2产生 M NH3 碎片离子机会要少得多 四元环重排含饱和杂原子的化合物 可以发生失去乙烯 或取代乙烯 的重排 此过程通过四元环迁移 因而有其名 具体过程是 以单键与杂原子相连的烷基长于两个碳时 杂原子在与碳链断裂的同时氢原子经四元环转移和杂原子结合 请看下面的例子 注 烷基有两个以上碳原子时才能进行四元环重排 但烷基越大发生此重排的几率越低 此类重排虽然可以发生于M 但概率不大 它主要发生于含杂原子的碎片离子 且主要为偶电子离子 3 复杂开裂是指发生多个键断裂 例如一些环状的醇 酮环卤 环胺等 它们经复杂开裂后 生成烊翁离子及亚胺正离子等特征峰 请看下面的例子 环己醇质谱图 基峰m z57是这样形成的 环己醇的质谱裂解过程 环己基醚 环己基胺 环己基硫醚以及环己酮等都能形成相似的特征离子 4 骨架重排在裂解过程中如甲基 苯基或含O N S等基团发生迁移 同时伴随着键的断裂和新键的形成 或消去中性碎片自由基等 则称骨架重排骨架重排形式多样 比较发复杂 在重排反应中产生的离子或中性碎片往往不存在于原来的分子中 而是经重排后形成的 这给质谱解释带来一定的困难 应引起注意 例如下列例子 甲基迁移 苯基迁移 5 2 2裂解规律 在一个化合物的质谱内 主要的离子峰应该是对等于从结构上推断可以从最容易的途径产生的离子 最容易断裂的途径可以用下列几个因素来估计 即断裂规律 1 裂解产物 碎片离子 中性分子 自由基 的稳定性以及产生这一稳定碎片离子所需能量的高低 从有机化学的知识知道 碳正离子的稳定性次序为 例如不饱和烃类化合物容易在烯丙位断裂 形成稳定的烯丙基正离子 烷基苯化合物易形成稳定的苄基正离子m z91 碎片离子稳定性越大 其相对强度越大 2 电荷自由基定域理论 Djerassi在1967年提出 假定电离后 在M 上的电荷或自由基被认为是定域在M 中的某一特定的位置上 由它通过转移一个电子或两个电子而使裂解反应引发 如 裂解和i 裂解 因此 只要能判断电荷自由基定域在什么地方 就有可能指出M 裂解的方向和途径 分子离子化时 自由基或电荷位置优先发生在电离电位最低的电子上 有机化合物中 电离电位由小到大的顺序为 非键电子 O N S等杂原子的未成键电子 共轭 电子 非共轭 电子 电子 同一族元素 从上到下电离电位依次减小 同一周期元素 从左到右电离电位依次增大 3 键断裂的难易程度 键的相对强度 键越弱越易断裂 化合物中的单键比双键容易断裂 所以芳烃 共轭多烯骨架的化合物均有较强的M 峰 4 产生环状过渡态的难易程度一般形成五员或六员环的过渡态 随后消除一个中性分子的裂解反应较易发生 此时 稳定中性碎片的形成 如CO C2H2 HCN C2H4 H2O CH2 C O等 对这一过程起促进作用 5 Stevenson规则 奇电子离子 OE 经裂解产生自由基和正离子两种碎片的过程中 具有较高电离电位 IonizationPotential IP 的碎片易保留一个电子形成自由基碎片 而将正电荷留在IP值较低的碎片上 产生正离子 这就是Stevenson规则 利用Stevenson规则 可以预见奇电子离子裂解时 电荷的归属 这在解析质谱时很有用 例如 H2NCH2CH2OH的质谱有下面两种可能的分裂途径 由于氮的电负性小于氧的电负性 含氮原子的碎片IP值应比含氧原子的低 所以正电荷应倾向于留在含氮的碎片上 可以推断第一种分裂比较容易产生 这也与实验结果相一致 6 偶电子规律偶电子离子裂解 一般只能生成偶电子离子 奇电子离子分裂时 既可产生偶电子离子和自由基 也可产生奇电子离子和中性分子 可用通式表示如下 7 最大烷基丢失规律分子离子或其他离子以同一种裂解方式 如 断裂 进行裂解反应时 总是失去较大基团的裂解过程占优势 形成的产物离子丰度较大 5 3亚稳离子 5 3 1亚稳离子的形成质谱中在电离室电离并裂解形成的正离子在到达收集器之前不再进一步裂解的都是稳定的离子 并在质谱图上按其质荷比正常出峰 离子m1 离子m2 m m m1 m2 若m1离子在离开电离室受到电场加速后进入磁场之前裂解 m1 m2 m 这时产生的m2的部分动能被 m带走 于是它的能量比在电离室内产生的m2离子能量小 它在磁场中的偏转就比较大 所以在质谱仪检测器上检测到这个离子的m z不是m2 而是一个比正常m2小的数值 这种碎片离子叫亚稳离子 用m 表示 质量为m2亚稳离子 它的表观质量m 与m1 m2的关系是 m m2 2 m1 5 3 2亚稳离子的特点1 在质谱图中比通常的离子峰宽度稍大 可跨越2 5个质量单位 2 相对强度较低 一般为1 3 3 m z一般不是整数 5 3 3亚稳离子的应用1 阐明有机质谱反应的裂解途径 2 可以确定分子离子峰 5 4常见有机化合物的质谱 1 烷烃 直链 M 峰弱 可脱去H2 生成CnH2n 碎片峰 MS图主要由CnH2n 1 组成 m z 29 43 57等 MS图形状 支链 M 峰很弱 易从支链处裂解 符合丢失最大烃基规则 环烷烃 由于环的存在 M 的RI增加 1 烷烃 正十六烷质谱图 5 甲基十五烷质谱图 甲基环己烷质谱图 可能的裂解过程 2 烯烃 双键的引入 使M 峰强度增加 烯丙基开裂是其主要的裂解方式 当相对于双键 C原子上有氢时 可发生麦氏重排 因双键的位置常发生迁移 烯烃异构体的质谱很类似 例如 CH3CH2CH CH2CH3 CH3 C CH2CH3CH CHCH3 cis CH3CH CHCH3 trans 环烯烃可发生RDA开裂反应 还能开环裂解 1 丁烯的质谱图 顺式2 丁烯的质谱图 3 炔烃 分子离子峰较强 类似于烯烃的烯丙基分裂 炔的 断裂产生m z39的偶电子离子 端位炔易脱去 H 形成很强的M 1峰 H重排 4 芳烃 一般都有较强的M 峰 简单裂解给出特征离子C7H7 m z 91 是苄基型的 裂解 注意 m z 91离子常常可以通过重排而形成 因此分子中不一定要有苄基 芳环特征的碎片离子芳环碎片离子顺次失去C2H2形成的 因此化合物含苯环时 一般可见m z 39 51 65 77等碎片 但RI比较低 麦氏重排 RDA重排裂解 杂原子取代基衍生物 常发生重排反应 脱去中性碎片 邻位二取代衍生物 常有邻位效应 消去中性碎片 例如其通式为 5 卤代烃 裂解 形成CH2 X 的离子 其难易次序是 F Cl Br I 因此CH2 F 较强 CH2 I 较弱 C X键的开裂 远处开裂形成环状卤正离子 消除H X裂解 类似于醇类脱水 注 含Cl Br卤化物有重同位素峰 从同位素峰的强度比可推测分子中含Cl Br原子的数目 6 醇类 脂肪醇 M 峰很弱 而叔醇的M 峰往往检测不到 裂解 产生特征碎片离子 脱水或脱水及乙烯生成M 18 M 18 28的奇电子离子以及M 18 15偶电子离子等碎片 常出现 M 1 峰 脱氢一般发生在 位 但此峰较弱 环醇的复杂开裂 7 酚类 包括芳醇 M 峰较强 苯酚的M 峰为基峰 苯酚的M 1峰很弱 但甲酚和苯甲醇的M 1峰很强 酚类和苄醇最主要的碎裂过程是失去CO和CHO 生成M 28 M 29峰 甲酚 多元酚 甲基苯甲醇都有很强的M 18峰 8 醚类 M 峰很弱 但能观测到 主要发生 裂解 生成一系列含氧特征碎片离子 m z为31 14n n 0 1 2 正电荷诱导断裂 产生一系列烷基碎片离子 m z为29 14n 碎片离子有四元环重排离子峰产生 缩酮或缩醛类化合物因为有两个杂原子在同一个碳上 它们更容易发生 裂解 9 胺类 类似醇与酚的关系 脂肪胺M 峰很弱 而芳胺 脂环胺的M 峰则相当强 特征峰为 裂解产生 m z为30的亚胺正离子 有中等强度的 M 1 峰 裂解产生的碎片离子如有 H 可发生四元环重排 芳胺容易发生环开裂 生成 M HCN 和 M H HCN 碎片离子 和卤代烃类似 长链的一级胺也可发生环化反应 脂环胺可发生复杂开裂 10 羰基化合物 醛 酮 酯 羧酸 酰胺 M 峰都较强 主要发生 裂解和i 裂解 麦氏重排 双氢重排 酯类较普遍 酰胺也有 四元环重排 H重排 环酮复杂开裂 邻位效应 5 5质谱解析方法 在解析有机化合物质谱前 应了解有机化合物有关物理化学性质及相关数据 如沸点 熔点折光率 旋光度及其它光谱的数据等 这里所涉及的有机化合物都是纯品 另外 有机化合物的质谱图都是用EI法电离