第四章：质谱法测定分子结构（一）小分子.ppt

1 有机质谱原理及应用 浙江大学理学院无机与材料化学研究所刘子阳教授 博士生导师电话 0571 87951158 办公室手机 第四章 质谱法测定分子结构 一 小分子 2 4 1电离过程 4 2单分子分解反应理论 4 3离子裂解基本类型 4 4常见各类化合物的质谱物征 4 5分子结构推导 4 6解析举例 3 4 1电离过程 一 电子轰击1 分子电离与Frank Condon原理 电子能量 70eV运动速度 4 96 106m s 1分子尺寸 电离时间 10 16s有机物的振动周期 10 13 10 14s电离过程极快 分子内原子核的间距来不及调整 垂直跃迁 Frank Condon原理绝热电离非键电子电离垂直电离成键电子电离 A 垂直电离能IEve 绝热电离能IEadB 垂直电离能IEve 绝热电离能IEad 4 2 分子的电离能和离子的出现电势 离子的出现电势AE AppearanceEnergy 分子的电离能IE IonizationEnergy 或分子的电离势IP IonizationPotential 5 电离能的测定 电子轰击光致电离光电子谱 单取代苯C6H5 X的电离能 eV 6 平衡法测定质子亲和势和气相碱度将lnK对1 T作图 由斜率和截距分别得到焓变和熵变 所用仪器 离子回旋共振 P 10 4Pa高压质谱 P 100 1000Pa辉光后漂移 P 100 1000Pa精度可达0 2kcal mol 二 化学电离1 质子亲和势 PA 和气相碱度 GB 分子的质子亲和势 PA ProtonAffinity 和气相碱度 GB GasBasicity 均表示其接受质子的能力 分别用用反应的焓变和吉布斯自由能来表示 7 2 氢负离子亲和势 HIA 化合物A与氢负离子反应放出的热量的负值 为氢负离子亲和势 离子的氢负离子亲和势 反映正碳离子的稳定性 在化学电离质谱中可用来判断其氢负离了的抽取能力 氢负离子亲和势 CH3 CF3 CH5 C2H5 常见碳正离子的标准生成热和氢负离子亲和势 kcal mol 8 3 电子亲和势 EA 分子A得到一个电子所放出的最小能量的负值 EA ElectronAphinity 常见负离子的电子亲和势 kcal mol 如果强调的是负离子 也可以用下式来定义 意思一样 测定方法 光学方法和化学方法 9 4 化学电离中的离子 分子反应 Ion MoleculeReaction 化学电离是靠离子 分子反应来实验样品的电离的 与溶液中发生的反应相似 存在着多种类型 主要有 质子转移反应 质子转移反应速度极快 速率常数几乎与理论碰撞速率常数相等 质子转移的反应和碰撞速率常数 cm3 分子 1 s 1 109 AH BA BH 这是化学电离产生MH 的主要反应 如CH5 MMH CH4 10 溶液中的势阱较气相的要深 溶剂分子的存在使过渡态最佳构型取向受阻 离子AH 与样品分子M间的转移的过程 AH M AH M A H M A HM A MH 离子 分子复合物过渡态离子分子复合物 溶液中 a 和气相中 b 质子转移反应势能图 溶液 气相 11 正离子与中性分子间的电荷交换反应 是化学电离中生成M 主要反应 A M A M 若该反应放热 则可进行 放出的热有一部分转化为M 的内能 使其进一步发生碎裂反应 与EI相似 但这种方式内能分布较窄 电荷交换反应速度也很快 与质子转移反应相似 电荷交换反应和碰撞速率常数 cm3 分子 1 s 1 109 电荷交换反应 12 常见的反应 生成 M H A M M H AH H HIA M H HIA A 若A 的氢负离子亲和势HIA A 大于 M H 的亲和势 则反应放热 H 为负 C2H5 和i C3H7 离子与更高级的直链烷烃和支链烷烃氢负离子转移反应接近碰撞速率常数 而C4H9 与正构烷烃几乎不反应 常见质子交换试剂的主要热力学常数 kcal mol 氢负离子转移反应 RE AH 为A 的复合能 13 加合反应 M A M A 常见的加合离子有C2H5 m z29 C3H5 m z41 等 NH3作化学电离试剂时 非常容易产生加合离子峰 若样品分子的PA接近或小于氨的PA 则NH4 与样品分子间不发生质子转移反应 而是发生加合 产生强的 M NH4 峰 缔合反应 在较高的离子源压力下 0 5 1 0Torr 形成以质子为桥联的二聚体甚至多聚体 nM H n 2 3 nM H 为缔合离子 加合与缔合反应 14 特殊反应产生有特定结构的加合离子 会形成化学键 可以用于分析不饱和合物的双键位置 几何异构体的区分 对映体的区分等 研究不易得的化合物的反应性质 如C60和金属富勒烯的反应性质等 略 15 质子转移试剂能产生质子酸AH 作为反应离子的化合物 AH M MH A以上反应能够进行的条件为 PA M PA A 所以要选择PA小的试剂 常用的质子转移试剂有 甲烷 异丁烷 甲醇 水和氨等 甲烷 CH5 和C2H5 和C3H5 等 异丁烷 t C4H9 释放出质子 产生异丁烯 甲醇 CH3OH2 氨 NH4 等 质子化能力较差 只适用于含PA更大的含氮化合物 水 H H2O 不常用 5 化学电离试剂体系化学电离试剂的要求 分子量小 背景干扰小 在低质量区产生尽可能少的反应离子 离子强度随离子压力变化不敏感 保证谱图的重现性 样品分子电离后不再与试剂气进一步反应 以免形成加合或簇合离子 高纯易得 16 电荷交换试剂电离试剂产生反应离子R 与样品分子M发生电荷交换反应 得到分子离子M R M M R与EI产生的分子离子一样 均为奇电子离子 但内能与前者有很大的差别 前者内能分布宽 后者内能分布窄 碎裂过程与结构关系密切 常用的电荷交换试剂 N2 CO CO2和Ar Kr Xe 苯 二硫化碳等 电荷交换反应试剂的反应能力与电离能有关 越大 越易发生交换 常用电荷交换化学电离试剂 17 1 离子的飞行时间以磁质谱为例 离子源有推拆电极 加电压使离子向分析器方向排出 离子源尺寸很小 因此离子停留时间短 1 5 s 加速区加速电压一般为6 10kV 分析器无场区 磁场区 碰撞区 静电场区 检测区仪器的尺寸大约在2m的数量级 若加速电压为8kV 根据mv2 2 zeV得质量为100Da的离子t 16 s 4 2单分子分解反应理论 一 离子的飞行时间 寿命 内能分布及其转化在质谱离子源内 电子轰击产生分子离子 分子离子碎裂后产生碎片离子 为什么有的化合物分子离子较强 碎片较少 有的则分子离子峰强度很低 碎片很多 离子从产生到检测所用时间离子的寿命 内能分布及其转化有关 18 2 离子的寿命质谱仪检测离子的时间大约在10 s数量级 不同离子有不同的寿命 在质谱中以稳定离子 亚稳离子 碎片离子出现 稳定离子 在产生及检测过程中不分解 寿命大于10 s 速率常数106s 1 亚稳离子 在离开离子源 到达检测器前 飞行过程中 分解的离子 寿命在1 10 s之间 速率常数105 106s 1 反应速率常数和寿命的关系 19 3 内能分布及其转换电子轰击 70eV 电子束的能量不均匀 电离后的样品离子处于各个激发态上 电子 振动 转动 产生过剩内能 内能分布与电子能量和离子结构有关 不同电子能量时分子的电离效率和内能分布丙烷分子的离子的热能分布 获得精确的内能分布是很困难的 常用光电子谱的办法获得近似的内能分布 正常电离条件下 过剩内能一般在几个eV的范围 20 内能转换离子源中的离子 无碰撞传递能量 处于激发态上的离子靠能量转换获得分解所需要的能量 内能E Ee Ev Er电子振动转动能量角动量守恒 振动和转动之间不能发生转换 Ee Ev之和为常数 可发生电子能级 振动能级自身或相互的能量转换 最常见的是电子能量转换为振动能量 称内转换 内能转换在10 14s内完成 具有足够振动能量的离子发生分解 分解发生在若干次振动以后 时间在10 14 10 9s 特殊情况 低的电子激发态 活化能较高的情况 分解慢 可能通过发射光子释放能量 固到基态 通过基态分解的单分子分解时间可达10 6s 21 内能分布能与分解速率和离子分布的关系 Wahrahftig图能量从小到大 a点之前 内能不足 不分解 Ea AB 为AB 离子的临界能 a b AB 能够生成 但非常少 以至于在质谱上无法检测到 b c 分解速率为105 106之间 离子寿命在10 s数量级 与质谱检测的时间相当 离子在飞行过程中分解 亚稳离子 c d c点以后 主要出现离子AD 该点与电离能的差为AD 的出现能 Es AD d点之前 内能不足 不生成AB d f f g 同前面a b b c 这里是对AB 而言的 e点以后 主要出现离子AB 22 对于AD 临界能 Ea AD 出现能 Es AD 动力学位移 Es AD Ea AD 由于质谱仪检测需要一定的离子强度所要求的 对于AB 动力学位移 竞争位移 Es AB Ea AB 在Wahrahftig图上e点以后才能出现AB 离子 而不是g点 是由于AD 对AB 的竞争作用而来 AD 焓有利低内能下有利AB 熵有利高内能下有利 23 准平衡理论的实验基础 FranckCondon原理实验上 解离相对于电离是很慢的 1952年Rosentock建立准平衡理论 Quasi EquilibriumTheory QET 基本假设 1 离子的生成及其能量的再分配时间远远小于解离的时间 2 裂解产物由一系列平行和连续单分子反应生成 3 质谱仪内产生的离子 为一个内能平衡态的弧立体系 速率公式可用修饰的绝对反应速率理论表示 二 准平衡理论中性分子单分子分解反应 RKMM Rice Ramsperger Kassel Marcus 理论 绝对速率理论 内能支配离子的单分子分解反应 准平衡理论 24 1 E0 反应临界能E0 E E0 P E E0 k 当E E0 0k 02 P 和 紧密复合物中 重排 转动自由度被冻结 P k 动力学位移增大 3 近似形式只考虑振动和转动激发态 振动是揩振的 转动是自由的 速率表达式 为频率因子 E为反应离子内能 N为振动自由度 的大小与活化络合物的疏松程度有关 25 一 影响离子丰度的因素1 产物的稳定性分子如果分解能够生成中性分子 稳定 有利于生成对应的离子 质谱中常见失去的中性分子 H2O CO CO2 HCN CH3OH HX CH2 C O H2S 离子CH2 CH CH2 CH2 CH CH2共振体m z41 4 3离子裂解反应 共振体m z43 m z57 叔碳离子 自由基叔碳自由基 烷氧自由基等 最大烷基丢失规则 在有分枝处碎裂时 如果有几种可能失去烷基时 以失去最大烷基所对应的离子的丰度最大 26 Stevenson规则 AB A B A 和B 为互补离子 B A 电离势低者 丰度大 A A IP A B B IP B 实际上也是出于从稳定性考虑的结果 2 键的活泼性越活泼 越易断C I C Br C Cl C F 半径增大 电负性减小 键强度减弱 3 空间因素k Ae E RT指前因子 与对称性有关 活化复合物 紧密型 疏松型 苯衍生物的邻位效应 27 二 离子碎裂反应由McLatterty总结出来的 它是一种表象方法 大部分与事实符合 但并不严格表示真实的反应机理 由于气相中的离子单分子分解由内能控制 在高内能的情况下 会有多种复杂的过程发生 尤其是涉及到一些复杂的重排过程 奇电子离子 OE 电子数为奇数的离子 分子离子一般为奇电子离子 偶电子离子 EE 电子数为偶数的离子 碎片离子或化学电离的准分子离子 1 基本类型 键断裂电离发生在 键上 随后发生断裂反应 烃类中常发生 R1 CH2 R2 R1 CH2 R2 R1 CH2 R2 R1 Y R2 R1 Y R2 R1 Y R2 Y Si S 例 28 自由基引发的断裂 断裂 自由基引起的 键的断裂动力 游离基中心强烈的成对倾向 特点 电荷保留 自由基位置十分重要 杂原子或多重键或芳香烃位置 饱和中心 不饱和中心 发生 断裂的化合物类型 羰基 醇 醚 胺 烯 芳烷等发生断裂的难易顺序 N S O Cl Br H 举例 荷基异位离子 Distonicion 29 最大烷基丢失当有几种可能失去烷基时 优先考虑最大烷基失去的反应 1 甲基 1 乙基 正丙醇 二乙胺 30 电荷中心诱导的断裂 i断裂 正电荷中心对一对电子的吸引导致的断裂 电荷转移 奇电子离子 偶电子离子 倾向 X O S N C与电负性有关 与 相比 总体上i不利 31 电荷定域对产物分布的影响 异丙基对电荷的稳定作用所致 化学电离产生的离子 麻黄素的电子轰击质谱和化学电离质谱 EI谱图 CI谱图 32 环已烯的开环分解 2 环状结构的分解开环 至少断裂两个键 连续反应 可以看成是基本断裂类型的组合 环已烷的开环分解 逆Diels Alder缩合 简写为RAD 33 四元环开环分解 五元环开环分解 杂环开环分解 34 3 氢重排重排 伴随着旧键断裂 新键生成 在焓上有利 在熵上不利 氢重排 常见 H的体积小 空间障碍小 结构特征重排 有些氢重排与结构的对应非常明确 如McLafferty重排 随机重排 高能电离 常见于 键电离场合 氢重排可用氘同位素标记方法 质谱中氢重排与光化学反应有一定的相似性 重排的驱动是自由基对氢原子的吸引或电荷中心的诱导作用 35 特点 不饱和中心 H 六元环 转移 键断裂 电荷保留占主导地位 有例外 游离基中心引发的氢重排a McLafferty 麦氏重排 H重排到不饱和基团上并伴随着发生 键断裂 产生奇电子离子 36 能够发生麦氏重排的有机物种类 醛 酮 酯 酸 酰胺 碳酸酯 磷酸酯 亚硫酸酯 亚胺 肟 腙 烯 炔和烷基苯 37 醛 38 b 饱和杂原子上的氢重排氢重排到饱和杂原子上并伴随着邻键的断裂 特点 环的大小不固定 断键位置与重排的H相邻的键断裂 电荷转移往往为主 39 40 电荷中心引发的重排 i诱导的断裂 直接键断裂 远电荷处的氢重排 41 双氢重排 麦氏 1重排 可以解释酯及类似物失去27 41和55碎片过程 42 特殊氢重排a 连串重排 奇电子重排离子的进一步重排 b 随机重排 多次重排步骤 氧对氢的接受能力较强所致 缺少反应中心临界能较高 各种可能的反应都会发生结构关系差产生低质量离子系列化合物种类 烃 卤代烃 氰基 硝基烷烃有时会出现骨架随机重排 43 氢重排的影因素a 氢的不稳定性游离基引发的重排反应中 不成对电子的转移 自由基上的稳定性影响重排的竞争性 易于发生氢重排的位置 支化度较高的碳原子上 与不饱和键相邻的碳原子上的氢 苄基 或电负性原子上的氢 如氧上 44 位置的接受能力质子亲合势高的基团有利于接受氢 含N大于S O 醚 酮 酯 酸 醛 醇 烯 芳烃 45 c 产物的稳定性 稳定的偶电子离子 46 4 骨架重排置换重排 rd 无H迁移发生 三 四 五 六元环系列 直链烃易发生rd 链的支化对rd是不利的 断裂能量仅低于仲碳键断裂 47 消去重排 re 48 49 4 5常见各类化合物的质谱特征 按有机化合物的分类方法进行 不完全相同 单官能团 烃 醇 醛和酮 酯 酸和酐类 醚 硫醇和硫醚 胺 酰胺 氰 脂肪卤化物等 多官能团 电荷定位能力 协同效应等 单官能团多官能团 50 一 烃类随机重排倾向 氢原子和碳骨架都可能 饱和烃中最为严重 饱和脂肪烃类电离势C C11 5eV C H12eV 电离发生在碳碳键上 特点 直链烃 有M 存在 但随着链的增加 M 减小支链烃 M 很小 由支链处容易断裂所致 低质量区 CnH2n 1 主系列m z29 43 57 71 85 最大在43或57 CnH2n 1 CnH2n 次要系列 二次断裂和重排产生的系列 51 不饱和脂肪烃类由于存在双键 电离势下降 能稳定M 有显著的M 特点 CnH2n 1 和CnH2n 系列离子 烯丙基断裂R CH2 CH CHR R CH2 CHRCH2 CH CHR双键发生转移 不能区分顺反和位置异构体 CnH2n 可能是麦氏重排产物 饱和脂环烃类M 比相应的非环烷烃的强 因为断一个键不产生碎片离子 开环断裂生成m z28和 M C2H4 特征离子 52 不饱和脂环烃类M 较强 谱图与脂环烃和烯烃质谱类似 异构体质谱相近 特征是RAD反应和 M CH3 RAD 53 芳香烃M 强度较大 芳环上 电子的共轭作用 对稳定电荷有好处 容易产生双电荷或多电荷离子 特点 苯环开环产生特征离子 m z39 C3H3 m z50 51 52 C4H4 m z63 64 65 C5H5 66 C6H5 CH2 n 链上断裂裂的产物 苄基断裂最显著 麦氏重排 R足够长时 当 碳上有分枝时 54 二 醇类电离发生在氧的非键轨道上 从电离角度M 应稳定存在 但由于离子化的羟基引发的分解更快 因此M 很小 醇类易发生离子 分子反应 生成 M H 或 M H 从而补偿M 很弱的不足 有利于判断分子量 热催化产生 M 18 M 20 M 2 的峰 需注意辨认 饱和脂肪醇类特点 主要是 断裂 然后是I二次断裂 伴随着重排 55 脱水 失水后的醇酷似相应烯烃的质谱图 产生CnH2n 1和CnH2n 系列离子 脂环醇类特点 主要是 断裂然后是i二次断裂 伴随着重排 56 脱水 3 4 5位置 57 酚类M 很强失去CO和HCO离子 如有苄基碳 M H 较强 邻位效应 58 三 醛类和酮类电离势较低 一般在9 4 9 8eV 失去羰基氧的弧对电子 M 较强 芳香醛和酮更为明显 脂肪醛和酮类特征 断裂 麦氏重排 59 脂肪醛和酮类特征 断裂 麦氏重排 60 脂环酮 特征 开环断裂 i 氢重排 61 芳香酮 分子离子很强 断裂 m z105 苯酰离子i 断裂m z77 特殊的重排现象葸醌 62 四 酯类M 较强 能观察到显著的分子离子峰 芳香酯分子离子峰很强 特征 和i断裂同时发生 麦氏重排 产生强的奇电子离子峰 双氢重排 麦氏 1重排 甲酯 十八酸酯 63 乙酯和高级酯RCOOR 当R 大于丁基时 M 很小 64 芳香酯分子离子很强 邻位效应 苯甲酰特征离子 65 五 酸和酐类短链的酸类有M 长链 n 6 正链烷酸 碳数增加 分子离子减弱 多羧酸分子离子很弱或不存在 有 M 1 离子 与醇相似 脂肪酸麦氏重排 i断裂 CnH2nCOOH 离子系列 m z73 87 101 115 129 可能来自于置换重排 二羧酸常发生CO2的失去反应 也可能存在热脱羧 66 芳香酸分子离子较强 失去OH 再失去CO 邻位效应 M H2O 再接着失去CO 酸酐脂肪酸酐 M 很小 不饱和酸酐 M 存在 琥珀酐 67 六 醚类醚类有较强的M 有时还有 M 1 或 M 1 可用于判断分子量 脂肪醚M 有一定强度 分子离子较强 i断裂相当 氧对电子有较高的诱导作用 失去OH 再失去CO CnH2n 1O m z31 45 59 强度不大 68 脂环醚和不饱和醚M 有一定强度 分子离子较强 2 6 6 三甲基 2 乙烯基四氢吡喃 69 芳香醚苯甲醚 M CH3 M CH3CO M CH2 M OCH3 乙基或更高级烷基芳香醚 消去CnH2n 给出特征的奇电子离子 重排 苄基醚给出 C6H5CH2OH C6H5CH2 C7H7 卓鎓离子 硫醇硫醇和相应醇相似 硫醇电离能较醇低1eV M 比醇强 存在C S键 电离 给出m z33 34 35峰 对应HS H2S H3S 特征峰 长链硫醇 断裂CnH2n 1S m z47 61 75 置换反应m z75 89 103 其中m z89最强 因C4H8SH CnH2n 1 强 电离断裂生成的R 70 硫醚类苯M 较强 电离 断裂 断裂奇电子系列 CH3 2CHSH m z76 C5H10 m z70 C3H6 m z42 氢重排 71 七 胺类脂肪胺具有极低的电离能 但氨基引发的 断裂有巨大的驱动力 M 仍很低 M 1 可以存在 借助判断分子量 铵盐不会汽化 无M 但分解时有胺和HCl m z36 或HBr m z80 82 存在 可用于判断是否为铵盐 脂肪胺类特征 断裂 强峰 重排和置换重排 72 环烷胺类特征 断裂 强峰 重排和置换重排 N 乙基环戊胺 73 八 酰胺类与酯或酸有相似之处 M 明显 M 1 准分子离子易出现 正十二烷酸酰胺特征 失去烷基产生离子系列m z44 58 72 86 CnH2n 1 和CnH2n 1 存在但较弱麦氏重排 特征离子 74 仲 叔酰胺 断裂 M C2H5 m z86 M CH3 m z100 麦氏 1重排二次断裂重排 75 九 氰类腈基的电离能很高 容易产生烃类的随机重排等过程 特征 脂肪腈的M 很弱 有时会有 M 1 CnH2n 1CN n 3 6时很强 经氢重排失去烯烃所致 CH2 nCN 系列离子 m z54 68 82 96 110 124 置换重排 76 十 脂肪卤化物一般有可测M 对全卤化物 M 常是微不足道的 C X键断裂产生 M HX 和 M X i断裂 断裂 置换反应 rd i断裂产生的R 发生二次断裂 产生CnH2n 1 系列离子 与烃类似 77 4 6分子结构推导 一 分子离子及分子量的测定1 分子离子的判断作为分子离子M 的必要条件 谱图中最高质量的离子 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 确定分子量可能遇到的困难 分子离子不稳定 在质谱上不出现分子离子峰 各类化合物的稳定顺序芳香环 包括芳香杂环 脂环 硫醚 硫酮 共轭烯 直链烷烃 酰胺 酮 醛 胺 脂 醚 支链烃 腈 伯醇 仲醇 叔醇 缩醛形成加合离子在CI和FAB等电子时 产生准分子离子 quasi molecularion M H 在用氨作化学电离试剂时 易产生 M NH4 裂解规律各类化合物质谱特征 解释化合物的质谱图由谱图判断化合物 78 多电荷离子ESI电离时易出现 辅助手段用于分子量的确定 快原子轰击 FastAtomBombard 快离子轰击 FastIonBombard 化学电离 ChemicalInization 场解吸 FieldDesorption 化学衍生方法醇 三甲基硅醚化 酸 甲酯化等 79 2 分子式的确定同位素丰度分析 低分辨质谱方法利用分子离子区域同位素强度的统计分布确定分子式 前提条件 在EI手件下 电子轰击能量70eV 适当温度等标准状态下测定质谱图 扣除本底的干扰 准确地测定各同位素峰的强度值 采集过程中 严格控制基峰强度不允许超过极限值 同位素分布的二项表达式对一般离子的峰度强度的计算公式 几率乘法和几率加法 n 离子中某种元素的数目 C O N等 m 元素的同位素的数目 13C a 丰度最大的同位素丰度值 12C 16O 14N等 100 或1b 同位素 13C 18O 的相对强度值C60O2 12C6016O2 m z752 12C5913C116O2 m z753 按上式计算 n 60 m 1 a 1 b 0 01112C5813C216O2 754 12C5913C116O118O 754 两种贡献之和几率加法 分别计算后相加 80 例 求C10H14O分子离子区域中 M M 1 M 2 M 12C10H1416O M 1 12C913C1H1416O M 2 12C813C2H1416O12C10H1418O所以 M M 1 M 2 100 11 0 74 m z162 0 74 m z161 11 m z160 100 81 例求C26H20N2O2分子离子峰的同位素分布M 12C26H2014N216O2 M 1 12C2613C1H2014N216O212C26H2014N115N116O2 m z393 29 34 m z392 100 M 2 12C2413C2H2014N216O212C26H2014N216O118O1 m z394 4 4 所以 M M 1 M 2 100 29 38 4 4 82 例求C18H14Cl2Br2分子离子峰的同位素分布M 12C18H1435Cl279Br2 M 1 12C1713Cl1H1435Cl279Br2 M 2 12C1613C2H1435Cl279Br212C18H1435Cl137C179Br212C18H1435Cl279Br181Br1 M 3 12C1513C3H1435Cl279Br2 M 4 12C188H1437Cl279Br212C18H1435Cl281Br2 m z460 262 8 m z459 19 8 m z458 100 m z461 0 2 m z462 106 56 83 所以 M M 1 M 2 M 3 M 4 100 19 8 262 8 0 2 106 56 84 例某化合物质谱分子离子区域强度分布如下 试求它的分子式 计算碳原子数目 10 35 1 1 9分子量为奇数 至少含1个N考察 M 2 分析可能含的元素 不可能含Cl Br S Si 只可能含O 含几个O 首先扣除13C2对 M 2 的贡献 因此 只能含1个O 所以此化合物分子式C9H11NO 85 测量精度 其中 M 实测值 M0 质量真值 m M0的整数位质量值 例 某一化合物的分元素组成是C18H14OP 实测值M 277 0781 质量真值M0 277 0782 由元素组成可以计算出此值 整数位质量m 277则精度为 高分辨扇形磁质谱仪 测量精度一般在10ppm以内 高分辨傅立叶变换离子回旋共振质谱仪 精度可达1 2ppm 精度也可用另一种方法即测定值与理论值之间的误差来表示 单位为毫原子质量单位 mu 上面的测量精度对应的误差为 0 1mu 同位素丰度分析 高分辨质谱元素分析方法 86 有人将C H O N各种组合成的分子式的精确质量数排列成表 可用于测定得到的精确质量数与之比较 从而确定分子式 例 用高分辨质谱测得样品分子离子峰的质量数为150 1045 这个化合物的红外谱上出现明显的羰基吸收峰 1730cm 1 求它的分子式 解 如果质谱测定分子离子质量数的误差为 0 006 小数部分的波动范围将在0 0985 0 1105之间 查上述表格中 质量数为150 小数部分在这个范围的式子有以下4个 C3H12N5O2150 099093C5H14N2O3150 100435C8H12N3150 103117C10H14O150 104459第1和第3个式子含奇数个N原子与样品分子量为偶数这一事实违反 氮数规则 排除 第2式环加双键数为0 应不含氧原子 这与红外光谱数据不符 因此 该分子式诮为C10H14O 87 可以用计算机直接给出可能的分子式候选对象 然后再根据其它信息进行结合判断 从中草药多脉茵芋中提取分离到一个未知组分 用高分辨测定其M 的精确质量为是496 46240 计算机模拟给出的元素组成列于下表 根据已掌握的信息 估计元素组成是C35H60O 比较元素分析结果 1HNMR 13CNMR中H的数目及C的数目 最后确定这个未知化合物的元素组成是C35H60O 提取物分子离子峰的精确质量及分析结果 88 氮数规则常见化合物中 最大丰度的同位素质量和价键之间有一个巧合 除氮原子外 两者或均为偶数或均为奇数 由此产生氮规则 两种表述方式 假若一个化合物含有偶数个氮原子 则其分子离子的质量将是偶数 反之亦然 键的方面 不含氮时 若为偶数价 连接偶数个原子 贡献为偶数 若为奇数价 连接奇数个原子 贡献为偶数 去掉一个电子 为奇电子离子 质量数不变 如果含有氮奇数个氮 则奇偶性相反的关系 若含有偶数个氮 对奇偶性没有影响 H2O m z18 CH4 m z16 C2H2 m z26 CH3OH m z32 CClF3 m z104 胆甾醇C27H46O m z386 氨基吡啶C5H6N2 m z94 NH3 m z17 C2H5NH2 m z45 喹啉C9H7N m z129 含偶数个氮原子的奇电子离子 其质量是偶数 含偶数个氮原子的偶电子离子 其质量数将是奇数 分子离子为奇电子离子 其它的奇电子离子也符合该规则 89 环加双键数CxHyNzOn x y 2 z 2 1 环加双键数奇电子离子 偶电子离子 5 5 2 1 2 4环加双键数为4 7 2 5 1 5 5舍去小数环加双键数为5 90 二 谱图的概貌1 光栅栏型下正烷烃的典型质谱图 或含有长链烷基的化合物 2 简洁型分子由几个稳定的离子碎片以弱键联结 正十二烷质谱图 3 分子离子峰极强稳定性极好 弱键较少 4 其它大量的质谱图 91 三 低质量区离子系列 常见离子系列 92 四 高质量区的中性丢失 常见的中性丢失 93 五 特征离子 重要的奇电子离子 记住一些重要的离子 特征离子胺 m z30 苯基 m z77 苯酰基 m z105 卓鎓 m z91等奇电子离子m z60酸麦氏重排m z74酯麦氏重排m z56开环碎片 94 4 7质谱解析举例 例1 高度稳定 无弱键 稠环类化合物或有大共轭键 M m z128 碎片多为偶电子离子 不含N M 2 M很小 不含S Si Cl Br等A 2元素 M 1 M 11 C10C10H8 10 8 2 1 7m z39 39 51 52 63 64 75 76 77苯环的特征系列结论 95 例2未知物经元素分析得知由C H O三种元素组成 红外光谱3100 3700cm 1无吸收 确定该化