第三章有机质谱

1、第三章 有机质谱 (高校教师研究生班)3.1 概 述 以某种方式使有机分子电离、碎裂，然后按离子的质荷比(m/z)的大小依次对各种离子的强度进行检测。以质荷比(m/z)为横坐标，离子的强度为纵坐标而形成的谱图，称之为质谱图(Mass Spectrum)。这种研究物质的方法称之为质谱法(Mass Spectrometry 简写为MS)。 特点：(1) 确定分子量或分子式： 低分辩率质谱可以快速确定分子量，而高分辨率质谱不仅可以确定分子量而且可以确定分子式。(2) 灵敏度高：质谱法的测试灵敏度远远高于NMR、IR、UV。 最小量可以达到10-1010-14克。(3) 提供某些元素的直接依据：不仅可

2、以判断结构中Cl、Br等元素是否存在，而且可以得知结构中含多少个Cl、Br原子。(4) 获得结构信息：利用碎片离子获得重要的单元结构信息。MS技术这些年来发展很快，特别是GC/MS、LC/MS、MS/MS/(多级质谱)的应用，使得质谱获得的信息量于应用范围有了显著的提高，有时还是其他仪器无法取代的。3.2 基 本 原 理处于气态状态的分子，在受到高能电子流(约70 eV)的轰击下，失去一个外层电子，变成带正电荷的分子离子。由于带正电荷的分子离子具有很高的能量，在极短的时间内，又可以进一步碎裂成各种不同质量的碎片正离子、游离基、中性分子。在加速电场的作用下(1000-8000V)进入匀且强的磁场

3、中，在磁场中受到洛仑兹力的作用，使具有不同质荷比(m/z)的正离子以不同的半径到达检测器。检测器按不同的质荷比有序地记录下所得的信号，以所得信号的相对强度为纵坐标，质荷比为横坐标，就可以获得完整的质谱图。运动方程为： 或 式中：R 离子轨道的曲率半径； H 磁场强度 V 外加电场电压； m/z 质荷比固定V、H m/z 与R2有关。 固定R、H m/z 与V成反比(电场扫描) 固定R、V m/z 与H成正比(磁场扫描)图3.1 MS工作原理示意图3.3 仪器的主要部分3.3.1 高真空系统离子化室：10-610-7 mHg 分 析 室：10-710-8 mHg3.3.2 进样系统 直接进样；

4、GC分离后进样； LC分离后进样3.3.3 离子源 电子轰击源(Electron Impact): 简称EI源 场致电离源(Field Ionization): 简称FI源 场解吸附电离源(Field Desorption): 简称FD源 化学电离源(Chemical Ionization): 简称CI源 快原子轰击(Fast atom bombarment): 简称FAB源 其他类型的离子源还有：表面电离，光电离、电子喷雾.离子源的选择对于样品测定的成功与否至关重要。尤其当分子离子峰不易出现的时候，应考虑选用合适的离子源。EI源：是MS法中应用最广，最基本和最经典的电离源。 在外电场的作用下

5、，利用铼或钨丝所产生的热电子流轰击样品，得到各种离子。电子轰击时的能量在15100 eV范围，最常用为70 eV。大部分的有机化合物的电离电位为10±3 eV。为了提高电离效率，增加检测的灵敏度，通常使用较高的电离能。 1020 eV 电离效率急剧上升 2025 eV电离效率最大 25 eV 电离效率以后趋向平稳 图3.2 吡啶的电离效率曲线由于70 eV 的能量远远高于有机化合物分子的电离电位，分子离子的剩余能量很大，继续分解为二级、三级、等碎片。 图3.3 EI源轰击有机分子的电离与碎裂过程3.3.4 质量分析器质量分析器：磁偏转质量分析器(单聚焦、双聚焦)； 四极杆磁分析器。(

6、a) 单聚焦磁偏转质量分析器： 图3.4 单聚焦磁偏转质量分析器示意图离子从离子源进入磁分析器后受到磁场的洛仑兹力的影响。根据公式m/z = H2R2/2V，离子的m/z 不同，则经过磁场的曲率半径(R)不一样。固定R与V，改变H就可以获得不同m/z 的离子质谱图。 (b) 双聚焦磁偏转质量分析器： 图3.5 双聚焦磁偏转质量分析器示意图 在离子进入磁偏转质量分析器之前加一个静电分析器，只允许具有特定能量的离子通过，聚焦后在进入磁偏转质量分析器。这样，质谱的分辨率可以大大地提高。这种质谱仪可以得到高分辨率的质谱图。 例如： 在低分辨率的MS谱中，整数分子量为28的物质 分子式： CO N2 C

7、H2N C2H4 精确质量数： 27.9949 28.0062 28.0187 28.0313(c) 四极杆质量分析器： 图3.6 四极杆质量分析器示意图 由四根金属杆构成，把四根金属杆分成2组，分别加上直流和一定频率与振幅的交流电压，当具有一定能量的正离子沿金属杆的轴线飞行时，受到金属杆交、直流迭加电场的作用二波动前进。只有满足质荷比与四极杆的电压和频率固定 关系的小数离子才能通过电场区而到达收集极。有规律地改变四极杆上的电压和频率就可以在离子收集极上得到不同质荷比的离子信号，完成质谱图的测定。 由于扫描速度快(每秒 1000 a.m.u atomic mass unit)，结构简单，价钱低

8、，易控制，常用于GC/MS，LC/MS 的联用仪器上。3.3 .5 检测器由于不同质荷比的离子到达收集极的顺序与强度不一样，经电子倍增器倍增及放大电路放大后而获得的电流信号也不一样，经记录仪记录就可得到质谱图。 图3.7 电子倍增器的工作原理3.3.6 分辨率(用R表示)表示质谱仪对两个相邻质谱峰的分辨能力。强度相等的两个相邻峰M1和M2，相交峰10%时两峰就算分开。 R = M1(M1M2) = M1M ( M1M2；M1 ) M1、M2 ：相邻两峰的质量数 M ：M1、M2的质量差 图3.8 质谱分辨率示意图例如：当M1 = 500， M2= 499 两峰可以分开，则M = 1 R = M

9、1M = 5001 = 500 表明该仪器只能分辨1 a.n.u当M1 = 500.00 M2= 499.95 两峰可以分开，则M = 0.05 R = M1M = 500.000.05= 10000表明该仪器只能分辨0.05 a.n.u分辨率的数值越大，表明分辨能力越强。3.4 质 谱 图3.4.1 质谱图 (a) 表图(已经较少使用)(b) 棒图 图3.9 2，2二甲基丙烷的MS谱3.4.2 离子类型3.4.2分子离子峰的判断(a) 由于分子离子峰是失去一个电子后的正离子，必然出现在最高质量数一端(不包括M+1、M+2、M+3峰)。(b) 最高质量数峰与次高质量数峰的质量差不应在314、2

10、124 a.m.u 范围内。因为有机化合物中能失去的最小中性碎片是CH3(15 a.m.u)。 若质量差出现在314、2124 a.m.u 范围内，表明最大质量数峰不是分子离子峰，或次高质量数峰是杂质。(c) 有些物质或电离的方式不同易M+H或M-H峰。 醚、酯、胺、酰胺、氰化物的M+H峰明显强于M峰。FAB MS谱图几乎都是M+H的准分子离子峰。 (d) 必须符合氮律：含偶数个N原子(或不含氮原子)的分子离子峰是偶数，含奇数个N原子的分子，其分子；离子峰为奇数(FAB MS谱要减去1个质量单位)。 3.4.2 各类化合物分子离子峰特征(a) 芳香化合物、共轭烯烃、环状化合物、某些含硫化合物、

11、直链低级同系物的分子离子峰都很明显。(b) 直链酮、酯、醛、酸、酰胺、醚及卤化物，因为O、N原子上的孤对电子有利于生产稳定的碎片离子，这类化合物的分子离子相对较弱。(c) 脂肪醇、胺、硝基化合物、氰和多侧链化合物的分子电离后容易碎裂，故分子离子峰很弱或不出现。稳定性排序为： 芳环、杂环化合物环烷烃、硫醚、硫酮、共轭烯烃醛、酮、烯、羧酸、酰胺、醚、直链烷烃侧链烷烃、卤代烃、腈、醇。3.4.3 得不到分子离子峰的补救方法(a) 降低轰击能量。在通常使用EI源测定MS谱时，采用的是70 eV 轰击样品，对有些化合物，到底的分子离子峰很弱或根本得不到分子离子峰。这时，可把轰击电压降到1020 eV。(

12、b) 采用化学电离源(CI源)，很容易得到M+H或M-H的准分子离子峰。 将反应气体(CH4)变成高度活性的二级离子(+CH5)，在与样品进行离子分子反应。 ：M+H； ：M-H 图3.10 脯氨酸的EI源与CI源质谱图(c) 采用场致电离源(FI源) 在一根特别制作的表面长满微针的细金属丝上(称为场致发射器)加上很高的正电压(10 KV)，在离子源中，气态分子一旦与针尖接触，就会因特别大的电位梯度而产生隧道效应，使分子接受很小的能量而失去电子产物正离子。(d) 采用场解吸电离源(FD源) 先将样品加在场致发射器的微针上，然后用电热法微热样品，在强电场下电离解吸。得到M+H峰。由于不必气化样品

13、，所以得到的M+H峰特别强。 图3.11 葡萄糖的EI源(a)、FI源(b)、FD源(c)的MS谱(e ) 采用FAB源 ( 快原子轰击) 采用快速的中性原子轰击样品，使分子电离成正离子。特别适合极性强、难挥发、易分解的热不稳定的化合物。如RCOONa、R-SO3Na等化合物。 (f) 采用其他方法：电喷雾、时间飞行质谱.。3.4.4 同位素离子 组成有机化合物的分子中的各元素都有一定量的同位素，所以MS谱中总是有M+1、M+2 峰。由于C、H、N、O这些元素的同位素的相对峰度不高，谱图中的M+1、M+2 峰强度较弱。 对于Cl、Br的M+2的同位素含量高，是得含Cl、Br元素的有机化合物的M

14、S谱变得很有特征性。有机物常见元素的同位素丰度： 含Cl、Br化合物同位素峰相对强度(%)原子数MM+2M+4M+6M+8M+10Br10097.7Br210019595.5Br310029328693.4Cl10032.6Cl210065.310.6Cl310097.831.93.47Cl410013163.914.01.15Cl510016310634.75.660.37Br2 Cl10022815931.2Br Cl210016374.410.4 图3.12 氯苯的MS谱 图3.13 溴苯的MS谱 图3.14 二氯甲烷的MS谱3.4.5 裂解类型(a) 消去中性分子 裂解前后离子所带电荷

15、的奇、偶数无变化。即吡啶的分子离子峰(奇电子离子)在脱去中性分子(HCN)后还是奇电子离子。 中性分子：C2H4、H2O、CO、CO2、HCl、HCN、H2S(b) 消去游离基 消去游离基，离子所带电荷的奇偶数发生变化。即由奇电子离子变成偶电子离子。图3.14 1-溴丙烷的MS谱事实上，在裂解过程中，既有游离基的消去，也会有中性分子的消去。图3.15 苯甲酸MS谱 特征：由C、H或C、H、O组成的碎片离子，若含奇数个电子，则质量数偶数；若含偶数个电子，则质量数为奇数。 由C、H、N或C、H、N、O组成的碎片离子，若含奇数个电子，则质量数是奇数；若含偶数个电子，则质量数为偶数。3.5 裂解过程及

16、影响裂解的因素3.5.1 断裂一个键(a) 烷 烃键能： C-H 409 (千焦/摩耳)； C-C 345(千焦/摩耳)键的均裂：断键时，键上的两个电子，分别属于生成的两个碎片。键的异裂：断键时，键上的两个电子，只给予某个碎片。烷烃中，直链化合物的分子离子峰在同族化合物中相对较强，但随碳链的增加而减弱。C-C比C-H键更容易断裂。其中C3H7(m/z 43)、C4H9(m/z 57)的碎片离子较稳定，常常是烷烃化合物的质谱中的基峰。在侧链化合物中，侧链越多越容易断裂。侧链上最大的取代基作为游离基消去，其余部分形成稳定的仲碳或叔碳正离子。相对稳定性为：(b) 带有侧链的环烷烃，优先在侧链部位断裂

17、，形成带正电荷的环状碎片。图3.16 甲基环戊烷MS谱 (c) 在双键、芳环、杂芳环的键上易发生断裂(又称为断裂)，生成的正离子与双键、芳环、杂芳环形成共轭而稳定。图3.17 正己基苯MS谱(d) 有杂原子的化合物也易发生断裂。主要是杂原子(醇、醚、胺、硫醇、硫醚)上的孤对电子能使碳原子上的正电荷稳定。 图3.18 1-丙醇的MS谱 (e) 羰基化合物(酯、醛、酮)易发生键断裂易生成的碎片： 图3.19 3戊酮MS谱图3.20 3甲基己酯MS谱3.5.2 断裂二个键 环状化合物的分子离子发生质量丢失必定要同时断裂2个键，常常还伴随H原子的转移与重排，生产新的碎片离子。(a) 脱离小分子重排 例

18、如：图3.21 正丁醇的MS谱图3.22 戊硫醇MS谱戊硫醇裂解途径(a) 失H2S；重排成环(b) 失自由基(·CH2CH2SH)(c) 失中性分子(H2)(d) 失自由基(·CH2SH；H2)(e) 失中性分子(HCCH)( f) 失中性分子(H2C=CH2)(g) 失中性分子(CH3CH2SH)(h) 失自由基(·CH2CH2CH3)(i) 失自由基(·CH2CH2CH2CH3)（键断裂）(b) 麦氏重排(Mclafferty 重排 )要 点：(1) X必须以双键或三键与C原子相连，即C=X或CX (2) 碳原子上要有H原子 (3) H原子转移X上，然后发生键断裂，得到重排产物。发生麦氏重排的化合物类型有：醛、酮、酯、酰胺、羰基的衍生物。例如 乙酯类化合物有m/z 88的特征峰： 甲酯类化合物有m/z 74的特征峰：图3.23 壬酸乙酯MS谱3.5 质 谱 解 析3.5.1 质谱解析的一般步骤 (1) 核查最高质量数峰是否为分子离子峰。通常，看最高质量数峰与次高质量数峰的质量差是不是合理(质量差不应该在314、2124 a.m.u 范围内)。 (b) 根据N律判断结构中是否含奇数个N