第六章质谱分析法2

2020 4 7 1 第六章质谱分析法 2020 4 7 2 第一节基本原理 基本原理很简单 即物质的分子在气态被电离 所生成出离子在高压电场中加速 在磁场中偏转 然后到达收集器 产生信号 其强度与到达的离子数目成正比所记录的信号构成质谱 2020 4 7 3 2020 4 7 4 2020 4 7 5 一 质谱的基本方程 向心力等于离心力 势能等于动能 2020 4 7 6 要将各种m e的离子分开 可以 1 固定H和V 改变R则不同质荷比将有不同R与离子对应 移动检测器狭缝的位置 就能收集到不同轨道半径的离子流 但这种方法在实验上不易实现 常常是直接用感光板照相法记录各种不同离子的质荷比 采用这种方法设计的仪器称为质谱仪 2 固定R 改变H或V在磁场扫描中 固定R和V 连续改变H m e正比于H2 当H增加时 先收集到的是质量小的离子 采用这种方法设计的仪器称为质谱计 2020 4 7 7 二 质谱的表示方法 质谱图 峰行图 条图质谱表元素图横坐标表示质荷比 纵坐标表示相对丰度 以质谱中最强峰的高度作为100 然后用最强峰的高度去除其他各峰高度 这样得到的百分数称作相对丰度 用相对丰度表示各峰的高度 其中最强峰称为基峰 2020 4 7 8 2020 4 7 9 第三节离子的类型 一 分子离子一个分子不论通过何种电离方法 使其失去一个外层价电子而形成带正电荷的离子 称为分子离子或母离子 质谱中相应的峰称为分子离子峰或母离子峰 通式为 2020 4 7 10 分子离子峰的特点 一般位于质荷比最高位置 它的质量数即是化合物的相对分子质量 质谱法是目前测定相对分子质量最准确而又用样最少的方法 在质谱中 用 或 表示正电荷 前者表示分子中有偶数个电子 后者表示有奇数个电子 正电荷一般都在杂原子上 不饱和键的 电子系统和苯环上 当正电荷位置不明确时 可用和表示 若化合物结构复杂 可在化学式的右上角标出或 2020 4 7 11 如何辨认分子离子峰 从化合物结构来判断分子离子峰的强度 分子离子峰的强弱甚至消失 主要决定于分子离子的稳定性 而稳定性又与化合物的结构类型有关 各类化合物的分子离子稳定性次序如下 芳香族 共轭链烯 脂环化合物 烯烃 直链烷烃 硫醇 酮 胺 酯 醚 酸 支链烷烃 腈 伯醇 叔醇 缩醛若已知化合物的类型 根据预见的强度和观察到的强度是否基本一致来判断分子离子峰 2020 4 7 12 有机化合物通常由C H O N S和卤素等原子组成 其相对分子质量应符合氮规则 即分子中含有偶数氮原子或不含氮原子时 其相对分子质量应为偶数 含有奇数氮原子时 分子量应为奇数 如不符合上述规律 则必然不是分子离子峰 判断最高质量峰与其他碎片离子峰之间的质量差是否合理 以下质量差不可能出现 3 14 19 25 含氟化合物例外 37 38 50 53 65 66 如果出现这些质量差 最高质量峰就不是分子离子峰 2020 4 7 13 根据断裂方式来判断分子离子峰 如醇的质谱经常看到最高质量处有相差三个质量单位的两峰 这两峰分别由M CH3和M H2O产生 假设这两峰的m e分别为m1和m2则该化合物的相对分子质量为m1 15或m2 18 醚 酯 胺 酰胺 腈 氨基酸酯和胺醇等M 1峰显著 而醛 醇或含氮化合物M l峰较大 改变实验条件检验分子离子峰 I 在采用电子轰击源时 降低电子流的电压 增加分子离子峰的相对强度 采用化学电离源 场解吸电离源等其他电离方法 把样品制备成适当的衍生物 再予以测定 2020 4 7 14 二 同位素离子 组成有机化合物的一些主要元素 如C H O N S Cl Br等都具有同位素 它们的天然丰度如表10 3分子离子峰是由丰度最大的轻同位素组成 用M表示 在质谱图中 会出现由不同质量同位素组成的峰 称为同位素离子峰 例如 分子离子峰M的右侧往往还有M 1峰和M 2峰 即为同位素峰 同位素离子峰在质谱中的主要应用是根据同位素峰的相对强度确定分子式 有时还可以推定碎片离子的元素组成 2020 4 7 15 一些同位素的自然丰度 2020 4 7 16 同位素离子峰的相对强度可用下述方法计算 1 由C H O N组成的化合物根据化合物的分子式 由表10 3可得 M 1 1 12nC 0 016nH 0 38nN 0 04nO M 2 1 1nC 2 200 0 20nO式中nc nH nN及nO分别表示分子式中所含C H N及O的原子数目 2020 4 7 17 2020 4 7 18 2 含Cl Br S Si的化合物分子中含有以上四种元素之一时 各同位素相对强度的比值等于式 a b n展开后得到的各项数值之比 2020 4 7 19 2020 4 7 20 三 碎片离子 由于分子离子具有过剩的能量 其中一部分会进一步发生键的断裂 产生质量较低的离子 这就是碎片离子 在一张质谱图上看到的峰大部分是碎片离子峰 碎片离子的形成受化学结构的支配 了解碎片形成规律 即可根据碎片把分子结构 拼凑 起来 2020 4 7 21 四 亚稳离子 质谱中的离子峰不管是强还是弱 一般都是很尖锐的 但有时会出现一些矮而宽 呈土包形的峰 质荷比通常不是整数 这种峰被称为亚稳离子峰 亚稳离子的产生要从离子本身的寿命来考虑 若某一离子的平均寿命小于5 10 6S时 它在脱离电离室后 在向质量分析器飞行的过程中会发生开裂形成亚稳离子 在电离室内形成的碎片离子称为正常离子 假设正常离子和亚稳离子都是由m1 离子开裂形成的 则可表示为 2020 4 7 22 正常离子m1 m2 中性碎片 m1一m2 亚稳离子m1 m 中性碎片 m1一m2 在质量上m m2 但二者的运动速度不相等 m2 的运动速度由m2V22 2 eV给出 而m 的速度却等于m1 的速度 即由m1V12 2 eV给出 由此看来 生成的亚稳离子m 运动速度与m1 相同 而在质量分析器中按m2 发生偏转 因而在质谱中记录的位置既不在m1 也不在m2 而在m 处 亚稳离子的表观质量m 与其真实质量m2 和原离子质量m1 间的关系为m m22 m1已知m2 和m1 就可计算出m 如果能找到m 就可以确证有m1 m2 的开裂 这对解析质谱 推测分子结构很有帮助 2020 4 7 23 五 多电荷离子 在电离过程中 分子或其碎片离子失去两个或两个以上电子形成多电荷离子 在质谱中可能出现在非整数位置上 芳香族化合物 有机金属化合物或含共轭体系化合物易产生多电荷离子 如苯的m e 37 5和38 5就是双电荷离子峰 2020 4 7 24 六 负离子 由电子轰击法所形成的负离子是极少的 仅是正离子的万分之一左右 用通常的质谱仪不能观测负离子 若要研究负离子 要求仪器有很高的灵敏度 目前较新型的质谱仪器 已附有测定负离子的离子源 2020 4 7 25 第四节离子的开裂规律 一 开裂的表示方法分子中共价键的断裂叫做开裂 开裂有三种表示方法 1 均裂2 异裂3 半异裂 2020 4 7 26 二 影响离子开裂的因素 1 化学键的相对强度化学键的相对强度可由键能大小反映出来 键能小的共价键先断裂 单键较弱 先断裂 2 碎片离子的稳定性决定正离子稳定性有以下因素 诱导效应 断裂易发生在取代基最多的碳原子上 碳原子相邻有 电子系统时 易产生相对稳定的正离子 2020 4 7 27 碳原子近邻有杂原子时 易产生稳定的正离子 这是由于杂原子上的未共用电子与带正电荷的 碳发生共振 增加了正离子的稳定性 2020 4 7 28 3 空间因素对形成碎片的影响一个分子由于某些原子或基团的空间排列不同 可以引起不同的断裂方式 2020 4 7 29 三 离子的开裂类型 离子开裂可分为 单纯开裂 重排与消除 复杂开裂 双重开裂 2020 4 7 30 开裂过程只断一个键并脱离一个游离基的称为单纯开裂 离子中的电子数目和离子的质量又有以下关系 由C H O N组成的离子 其中氮为偶数 包括零 时 如果离子的质量为偶数 则必含奇数个电子 如果离子的质量为奇数 则必含偶数个电子 由C H O N组成的离子 其中氮为奇数时 若离子的质量为偶数 则必含偶数电子 若离子的质量为奇数 则必含奇数个电子 因此 根据所产生离子和前体离子的质量奇偶数相反 可以推测所发生的开裂是单纯开裂 但是含氮化合物的分子离子经单纯开裂 若氮原子数奇偶性发生变化 则质量奇偶性不变 一 单纯开裂 2020 4 7 31 1 饱和烃类 直链烷烃直链烷烃的各个键的开裂机会是相同的 因而开裂沿着碳键上的键依次进行 每隔14质量单位出现峰 这些离子可用通式CnH2n 1表示 一般看不到 M 15 峰 其最高强度的峰为m e43 57 然后呈平滑曲线下降 例如 正癸烷的单纯开裂如下 2020 4 7 32 2020 4 7 33 2 支链烷烃 支链烷烃的单纯开裂易发生在分支处 分支越多 越易开裂 正电荷保留在碳链分支多的碎片上 通常分支处的长碳链将最容易以游离基的形式首先脱去 例如 3 乙基己烷的裂解 见图10 12 2020 4 7 34 2020 4 7 35 3 带有侧链的饱和环烃 易在环与侧链连接处开裂 正电荷保留在环上 2020 4 7 36 2 烯烃和芳烃 烯烃类化合物容易发生 开裂 C C 键开裂 生成具有共振稳定结构的烯丙基正碳离子 例如 2020 4 7 37 烷基取代的芳香化合物 也容易在环的 键处开裂 生成具有多种共振形式的稳定的苄基正离子 又称为苄基开裂 所产生的苄基离子立即转化为更稳定的蕈嗡离子 2020 4 7 38 3 含有杂原子的化合物 化合物R X X OH SR NR2 OR或F等 容易发生 开裂 这类反应中 一个不成对电子与相邻的 碳原子形成一个新键 同时伴随 碳原子上另一个键的开裂 这是因为新键的形成补偿了一个键开裂所需能量 这种开裂方式最容易发生 可表示为 2020 4 7 39 遵循最大烷基游离丢失原则 2020 4 7 40 同时含有OH NH2等几种基团时 开裂方向与各种基团离子的相对稳定性有关 稳定性次序为 2020 4 7 41 化合物R X除发生 开裂外 也可能发生 开裂 具有正电荷原子与 碳原子间的开裂 开裂有下述两种途径 如果R 的稳定性大 就容易按途径 发生开裂 反之按途径 开裂 例如醚R O R 一般R 比 OR 稳定 所以易按途径a开裂 而硫醚R S R SR 比R 稳定 易按途径b开裂 2020 4 7 42 含有双键结构的杂原子化合物容易发生 开裂 例如 2020 4 7 43 二 重排开裂 1 麦氏重排凡具有 氢原子的醛 酮 羧酸 酯 烯烃 侧链芳烃 含硫羰基及双键氮等的化合物 经过六元环空间排列的过渡态 氢原子重排转移到带正电荷的杂原子上 接着发生烯丙基型 开裂 并脱去一个中性分子 这种开裂称为麦氏重排 可用通式表示为 2020 4 7 44 2020 4 7 45 2020 4 7 46 2 逆狄尔斯 阿德耳重排 简称RDA重排 凡具有环己烯结构类型的化合物都能发生RDA重排 生成一个共轭二烯奇电子离子及一个中性碎片 或相反 或兼有 这取决于开裂过渡状态所形成的正离子的稳定性 过渡状态的正离子越稳定 则按这种过渡状态开裂产生的离子强度就越大 正离子的稳定性大小 可按下列次序排列 2020 4 7 47 2020 4 7 48 3 饱和化合物分子的重排 在醇类 含卤化合物 硫化物及酯类等化合物中 可由氢原子与功能团结合而引起重排 2020 4 7 49 2020 4 7 50 2020 4 7 51 三 复杂开裂 需要几个键的开裂 并伴有氢原子的转移 常见于含杂原子的环状化合物的开裂 2020 4 7 52 例题10 6 2020 4 7 53 四 双重重排 质谱上有时会出现比单纯开裂产生的离子多两个质量的离子峰 这是由于有两个氢从脱离的基团上转移到该离子上 由于有两个氢的转移 故称为双重重排 1 乙酯以上的酯和碳酸酯 2020 4 7 54 2020 4 7 55 2 在相邻的两个碳原子上有适当取代基的化合物 2020 4 7 56 第五节常见化合物的质谱 一 烷烃CnH2n 1离子系列 m e15 29 43 57 1 直链烷烃主要特征 分子离子峰强度较底 而且随链长的增加而降低 一般看不到M 15峰 主要峰都间隔14个质量单位 相对丰度以含C3 C4 C5的离子最强 然后呈平滑曲线下降 各峰的左边伴有消去一分子氢的过程 产生CnH2n 1的系列离子 与CnH2n 1离子及同位素峰组成各个峰簇 2020 4 7 57 2 支链烷烃 在支链取代基处可能形成几种高稳定性的碳正离子 从而有较大的丰度 反过来 也可以从这些丰度较大的峰的质荷比 来推测烷烃中支链所在的位置 2020 4 7 58 3 环烷烃 分子离子峰强度比直链烷烃的大 环开裂时常失去乙烯 形成m e28 29 以及M 28 M 29等峰 2020 4 7 59 二 烯烃 分子离子峰较明显基峰常由烯丙基型开裂产生 形成极稳定的烯丙基正离子 只有一个双键的直链烯烃的质谱类似于直链烷烃 但CnH2n 1和CnH2n系列离子丰度增加 烯烃离子具有通过双键迁移进行异构化的倾向 支链化不饱和链烯烃RCH C CH3 CH2R 和RCH2C CH3 CHR 谱图中显示丰富的RCH2 这是由双键位置迁移离开支链处引起的 2020 4 7 60 2020 4 7 61 环烯的主要峰来自三方面的开裂 RDA重排 开环后氢重排 开环后简单开裂 有 H 可发生麦氏重排 2020 4 7 62 一般有较强的分子离子峰 苯环上有取代烷基时 容易发生 开裂 形成m e91的离子峰 常为基峰 取代的烷基苯则形成 三 芳烃 2020 4 7 63 当苯环取代基有 H时 可发生麦氏重排 形成m e92的重排离子峰 苯环可顺次失去C2H2 形成m e39 51 65 77 91等系列离子峰 这是识别芳烃的主要依据 2020 4 7 64 由于 开裂和氢的重排 单烷基苯在m e77和m e78处出现C6H5 C6H6 特征离子峰邻位二取代苯 常有邻位效应 消去中性碎片 2020 4 7 65 稠环芳烃很稳定 碎片离子峰很少 2020 4 7 66 四 醇类 1 饱和脂肪醇伯醇和仲醇的分子离子峰很弱 而叔醇的分子离子几乎观察不到 伯醇 除甲醇外 及相对分子质量较大的仲醇和叔醇易脱水形成 M 18 又失去C2H4形成 M 46 2020 4 7 67 开裂 2020 4 7 68 M 1 M 2 M 3 2020 4 7 69 2020 4 7 70 2020 4 7 71 2 脂环醇 2020 4 7 72 2020 4 7 73 五 酚类 芳醇 分子离子峰都较强 苯酚的分子离子峰为基峰甲酚和苯甲醇的 M 1 峰很强 2020 4 7 74 M 28 M 29 2020 4 7 75 失水峰 2020 4 7 76 苄基开裂和麦氏重排 2020 4 7 77 六 醚类 脂肪醚分子离子峰很弱 但一般能观察到 开裂形成31 45 59 73的强峰 2020 4 7 78 开裂 29 43 57 71重排 开裂 形成28 42 56 70离子峰 2020 4 7 79 进一步失去一个烯烃 2020 4 7 80 芳香醚 分子离子峰较强 只发生 开裂有脂肪醚和芳环的共同特征 2020 4 7 81 七 醛类 明显的分子离子峰 开裂 很强的 M 1 29 2020 4 7 82 M 29 麦氏重排 44 58 72 86 2020 4 7 83 M 44 M 18 M 28 2020 4 7 84 八 酮类 分子离子峰较强 随着分子量的增加分子离子峰逐渐减弱 易发生 开裂 m e为43 57 71 85等离子 2020 4 7 85 芳香酮也易发生 开裂 不过观察到的是m e39 51 65 77等系列离子峰 2020 4 7 86 容易发生麦氏重排 并有可能是两次麦氏重排 2020 4 7 87 环戊酮 环己酮 环庚酮的基峰是55 2020 4 7 88 醌的分子离子峰很强 它的特征开裂是失去CO 2020 4 7 89 九 羧酸 脂肪羧酸的分子离子峰一般都很弱 它的强度随相对分子质量增加而降低 与羰基共轭的双键越多 则分子离子峰越强 最重要的开裂方式是麦氏重排 得m e60的特征峰 2020 4 7 90 发生 开裂 形成m e15 29 43 57 71 以及m e45 59 73 87 两种偶电离子系列 碳碳键的开裂失去烃基得到m e相差56的 CH2 nCOOH 离子 如硬脂酸出现m e73 129 185与241等含羧基的强峰 二元羧酸都有很强的M 它们丢失两个COOH中性碎片 形成 M 90 峰 2020 4 7 91 芳香羧酸有较强的分子离子峰 其主要开裂是失去羟基和CO 得到 M 17 和 M 45 峰 当羧基邻位有 CH3 OH和 NH2等取代基时 能发生重排失水 形成 M 18 峰 例如 2020 4 7 92 十 酯类 可以看到直链一元羧酸酯的分子离子峰 但当RCOOR 中R 大于丁基时 分子离子峰变得相当小 芳香羧酸酯分子离子峰较强 与醛 酮 羧酸一样易发生 开裂 由丁酸甲酯起均能发生麦氏重排 得m e74碎片离子峰 在含有6 26个碳原子的羧酸甲酯中该离子均为基峰 2020 4 7 93 烷氧基较大的酯 会产生双氢重排羧酸苄酯可经重排消去中性分子生成M 42的基峰 2020 4 7 94 芳香酸酯的主要开裂是 开裂 2020 4 7 95 苯甲酸酯邻位有含氢取代基时 容易失去醇分子 2020 4 7 96 邻苯二甲酸酯有149的特征离子 2020 4 7 97 十一 胺类 脂肪开链铵的分子离子峰很弱 而脂环胺与芳胺的分子离子峰较明显 含奇数N的胺分子离子峰质量数为奇数 许多芳香胺和低相对分子质量的脂肪胺有中等强度的 M 1 峰 其开裂过程为 2020 4 7 98 开裂 形成30离子峰 2020 4 7 99 长链伯胺最大丢失原则 2020 4 7 100 芳胺开裂烷基芳胺 2020 4 7 101 第六节质谱的解析 一 质谱解析的一般程序1 解析分子离子区 确认分子离子峰 注意它对基峰的相对强度 从而判断化合物类型 注意分子离子质量的奇偶数 由氮规则推测子中含氮原子数 由 M十1 M及 M 2 M数值大小 判断分子中是否含C1 Br S元素 并推算分子式 或由高分辨质谱所得精确相对分子质量推定分子式 由分子式计算不饱和度 2020 4 7 102 氮律 分子中含有偶数氮原子或不含氮原子时 其相对分子质量应为偶数 含有奇数氮原子时 分子量应为奇数 2020 4 7 103 Beynon贝农表只有C H O N的化合物 同位素峰强度比与组成分子的元素间的关系编制 M M 1 M 2峰相对强度 分子式 对照表 2020 4 7 104 e g m e 58 M 1 M 100 4 4 M 2 M 100 0 077 58M 1M 2MWN3O1 180 2158 0042 C3H6O3 380 2458 0419 C4H104 480 0858 0783 2020 4 7 105 2020 4 7 106 a 2 氯丙烷M 78M 280 M 2 M 1 3 b 2 溴丁烷M 136M 2138 M 2 M 1 1 2020 4 7 107 2 解析碎片离子 找出相对丰度较大的离子峰 注意其m e的奇偶性 对照表10 6列出的常见碎片离子 并根据开裂规律 分析这些主要离子峰的归属 鉴定高质量端丢失中性碎片的特征 常见中性碎片列于表10 7中 鉴定所有可能存在的低质量端离子系列 每一类化合物往往出现一系列谱峰 由此可以推断化合物的结构类型 常见的离子系列见表10 8 2020 4 7 108 常见的碎片离子 2020 4 7 109 2020 4 7 110 2020 4 7 111 2020 4 7 112 2020 4 7 113 从分子离子脱去的常见碎片 2020 4 7 114 2020 4 7 115 2020 4 7 116 注意有无特征离子存在 许多特殊的质量数只有少数具有特征结构的基团才能产生 这类特征离子有助于判断分子的可能碎片 其中一些熟知的特征离子有胺的m e30 苯基的m e77 苯酰基的m e105和邻苯二甲酸酯的m e149等 找出亚稳离子 利用m m22 m1 确定m1及m2两种离子的关系 判断开裂过程 利用高分辨质谱的数据 确定重要碎片离子的元素组成 2020 4 7 117 3 列出部分结构单元在上述两步分析的基础上 列出部分结构单元 并找出剩余的结构 4 组成可能的结构式以所有可能方式把各部分结构单元连接起来 组成可能的结构式 并根据质谱及其他光谱数据肯定最合理的结构式 2020 4 7 118 二 质谱解析实例 例题已知m e134 30 4 m e135 3 4 推测结构 2020 4 7 119 分子离子峰 M 1 M 3 4 100 30 4 11 2C10H14 4C6H5 CH2 43 C3H7 C2H5N CH3C O 2020 4 7 120 2020 4 7 121 2020 4 7 122 m e43为 C3H7 2020 4 7 123 第七节质谱的应用 一 质谱在有机结构分析中的应用1 结构鉴定 2020 4 7 124 2020 4 7 125 2020 4 7 126 2 推测未知物的结构 例题某有机化合物只含C H O 它在3100 3700cm 1间无红外吸收 推断结构 2020 4 7 127 1 分子离子 M 1 M 9 0 2 碎片离子10539 50 51 77亚稳峰56 5 表明有105 77的开裂 772 105 56 5 同理 33 8 表明77 51 解析 3 结构式的确定 2020 4 7 128 二 质谱在研究有机反应机理方面的应用三 生物质谱的研究及其应用 生物质谱是为解决生命科学中有关生物物质分析问题 主要借助软电离质谱技术对生物大分子如蛋白质 核酸和多糖等进行结构分析 1 电喷雾电离质谱 2 基质辅助激光解吸电离质谱 3 快原子轰击质谱 4 离子喷雾电离质谱 5 大气压电离质谱 生物质谱主要用于解决两个方面问题 精确测量生物大分子 如蛋白质 核苷酸和糖类等的分子量 并提供分子结构信息 对存在于生命复杂体系中的微量或痕量小分子生物活性物质进行定性或定量分析 2020 4 7 129 1 多肽和蛋白质质谱分析1981年首先采用FAB双聚焦质谱测定肽分子量 分析十一肽 M 1318 质谱中出现准分子离子 M 1 1319强峰 用基质辅助激光解吸电离质谱蛋自质最早一例是于1988年用紫外激光以烟酸为基质测出质量数高达60Da蛋白质 精确度开始只有0 5 后改进到0 1 0 2 MALDI TOF质谱所测质量上限高 灵敏 迅速 1min 而广泛用于蛋白质分析 2020 4 7 130 1988年 首次成功用电喷雾 ESI 质谱分析蛋白质大分子 一般在ESI条件下 能与多肽或蛋白质结合质子数即正电荷数 由分子中所含碱性氨基酸总数和N 端氨基决定 电荷数目及分布也受实验条件如溶液pH值及温度等影响 测出分子量M数值与DNA法导出数值最接近 精度优于其他方法 2020 4 7 131 质谱测定多肽和蛋白质是根据质谱碎片离子推导序列的 质谱出现序列信息碎片主要是通过酰胺键断裂形成 绘制 肽图 是重要测序方法 将蛋白质酶解 继用