有机结构分析MS.pptx

8.1 概述8.2 质谱仪及其工作原理8.3 离子的类型8.4 分子离子峰的确定和分子式的推测8.5 分子的裂解及其分类8.6 各类有机化合物的质谱8.7 质谱解析示例主要内容第1页/共139页8.1 概述质谱分析法(mass spectrometry，MS):利用高速电子撞击气态试样分子，使化合物形成各种离子和碎片离子，带正电荷的碎片离子在磁场及静电场的作用下，按质荷比m/z的大小顺序分离，依次到达检测器，记录成按质荷比顺序排列的质谱图，根据质谱峰的位置可进行定性分析和结构分析，根据质谱峰的强度可进行定量分析第2页/共139页应用范围广：质谱仪种类多，可进行同位素分析、化合物分析；有机结构和无机成分分析灵敏度高，样品用量少，常规10-7 10-8 g,单离子检测可达10-12 g分析速度快，扫描1 100原子质量单位一般仅需求1至几秒，最快可达1/1000秒，可实现色谱-质谱在线(on-line)联用确定分子量准确，其它技术无法比便于混合物分析，LC/MS、MS/MS对于难分离的混合物特别有效，其它技术无法胜任质谱分析法的特点第3页/共139页局限性异构体和立体化学方面区分能力差重复性稍差，要严格控制操作条件。不能象低场NMR和IR等自己动手，须专人操作有离子源产生的记忆效应和污染等问题价格稍显昂贵，操作有点复杂第4页/共139页在质谱计的离子源中有机化合物的分子被离子化，丢失一个电子形成带一个正电荷的奇电子离子(M+)叫分子离子，化学键继续断裂生成各种碎片离子经整理可写成：式中：m/e为质荷比是离子质量与所带电荷数之比，近年来常用m/z表示质荷比；z表示带一个至多个电荷。由于大多数离子只带一个电荷，故m/z就可以看作离子的质量数基本原理第5页/共139页a.当磁场强度H和加速电压V一定时，m/z与离子在磁 场中运动半径的平方成正比(m/z r2m)，m/z越大的 离子在磁场中运动的轨道半径rm也越大。这就是磁 场的重要作用，即对不同质荷比离子的色散作用b.当V一定以及离子运动的轨道半径(即收集器的位置)一定时，m/z与磁场强度的平方成正比(m/z H2)。改变H，即所谓的磁场扫描，磁场由小到大改变，则由小质荷比到大质荷比的离子依次通过收集狭 缝，分别被收集、检出和记录下来基本原理第6页/共139页c.若磁场强度和离子的轨道半径rm一定时，离子的 质荷比m/z与加速电压V成反比(m/z 1/V)，表明 加速电压越高，仪器所能测量的质量范围越小。就测量的质量范围而言，希望质量范围大一些，这就必须降低加速电压。从提高灵敏度和分辨率 来讲，需要提高加速电压。这是一对矛盾，解决 的办法是在质量范围够用的情况下尽量提高加速 电压，高分辨质谱计加速电压为8 kV，中分辨为3 4 kV基本原理第7页/共139页质谱结果表示方法质谱法的主要应用是鉴定复杂分子并阐述其结构，确定元素的同位素及分布等。一般的质谱给出的数据有两种形式：棒图(质谱图质谱图)和质谱表质谱表v 质质谱谱图图:以m/z为横坐标，相对强度为纵坐标。一般原始质谱图上最强的离子峰为基峰并定为相对强度100%，其它离子峰以对基峰的相对百分值表示v 质质谱谱表表:用表格形式表示的质谱数据。表中有两项即质荷比和相对强度。从质谱图上可直观地观察整个分子的质谱全貌，而质谱表则可准确地给出精确的m/z值及相对强度值，有助于进一步分析第8页/共139页多巴胺的质谱图第9页/共139页多巴胺的质谱表第10页/共139页横坐标:离子的质荷比m/z。当离子所带的电荷z=l时，质荷比就是离子的质量，甲基离子CH3+和乙酰基离子的质荷比分别为m/z=15和m/z=43就是它们的质量数纵坐标:离子的强度(离子流强度)，两种表示法v 绝对强度：将每一个峰的离子流强度相加作为总离子流强度。用绝对强度表示各个离子流强度的百分数之和应为100 v 相对强度：以质谱图中最强峰的强度为100%，称为基峰。现在的质谱图均以相对强度表示质谱图第11页/共139页常见质谱图第12页/共139页8.2 质谱仪及其工作原理第13页/共139页质谱仪分类第14页/共139页质谱仪第15页/共139页质谱仪第16页/共139页质谱仪第17页/共139页主要性能指标：质量范围质量范围(mass range):表示质谱仪所能够进行分析的样品的相对原子质量(或相对分子质量)范围，通常采用原子质量单位(unified atomic mass unit，u)进行度量。原子质量单位是由12C来定义的，即一个处于基态的12C中性原子的质量的1/12 质谱仪所能测定的离子质荷比的范围 四极质谱：1000以内 离子阱质谱：6000 飞行时间质谱：无上限 测定气体用的质谱仪，一般质量测定范围在2 100，而有机质谱仪一般可达几千，现代质谱仪甚至可以研究相对分子量达几十万的生化样品第18页/共139页主要性能指标：分辨率分辨率(Resolution，R):分离质量数为M1及M2的相邻质谱峰的能力。若近似等强度的质量分别为M1及M2的两个相邻峰正好分开，则质谱仪的分辨率定义为：不同仪器比较标准：1）R10%：两峰间的峰谷高度为峰高的10%时的测定值；2）一般难找到两个质量峰等高，则定义：式中 a为相邻两峰的中心距离；b为峰高5%处的峰宽第19页/共139页不同分辨率的影响R值越高越能与质荷比相近的离子分开对于质荷比m/z=100的离子，分辨率为：R=100时，能与m/z=101的峰分辨开R=1000时，能与m/z=100.1的峰分辨开R=10000时，能与m/z=100.01的峰分辨开如：十三烷基苯(C19H32),M=260.2505 十一烷基苯酮(C18H28O),M=260.2140 1,2-二甲基-4-苯甲酰基萘(C19H16O),M=260.1204分辨率R=1000的低分辨仪器在m/z=260处出现重叠峰R=100000时，仪器可将三个峰分辨开，并给出如上精确相对分子质量，从而可以确定元素组成和分子式第20页/共139页不同分辨率的影响 低分辨率质谱仪：R 10000，(FT-ICR MS：R=1 106)可分辨质荷比相差很小的分子离子或碎片离子 利用高分辨率质谱仪可测定精确的质量数：CO、N2和C2H4分子离子的m/z均为28，但其准确质荷比分别为CO:27.9949;N2:28.0062;C2H4:28.0312;只有高分辨质谱可识别 质谱仪的分辨本领由几个因素决定：离子通道的半径加速器与收集器狭缝宽度离子源的性质第21页/共139页主要性能指标：灵敏度质谱仪的灵敏度有绝对灵敏度、相对灵敏度和分析灵敏度等几种表示方法绝对灵敏度是指仪器可以检测到的最小样品量；如对于一定样品(如硬脂酸甲酯)，在一定的分辨率情况下，产生一定信噪比(如10 1)的分子离子峰所需的样品量相对灵敏度是指仪器可以同时检测的大组分与小组分含量之比分析灵敏度则指输入仪器的样品量与仪器输出的信号之比第22页/共139页电离方法气相电离方法(Gas-phase Ionization)电子轰击电离(Electron Ionization,EI)化学电离源(Chemical Ionization,CI)解吸电离方法(Desorption Ionization)场解吸电离(Field Desorption Ionization)快原子轰击电离(Fast Atomic Bombardment,FAB)等离子体解吸电离(Plasma Desorption Ionization)激光解吸电离(Laser Desorption Ionization)蒸发电离方法热喷雾质谱（现已不用）电喷雾源(Electron Spray Ionization,ESI)大气压化学电离源(Atmospheric Pressure Chemical Ionization,APCI)第23页/共139页电离方法第24页/共139页物质与电离方式挥发性物质:电子轰击(EI)化学电离(CI)不挥发性物质场解吸(FD)粒子或辐射解吸等离子解吸(PD)电喷雾电离(ESI)第25页/共139页电子轰击电离(EI)最常用的离子源，EI质谱是最普通意义的质谱气化分子被高能电子束(一般为70 eV)轰击，使分子获得能量并放出电子成为正离子自由基。由于电子束能量远大于大多数有机化合物的电离电位(7 15 eV)，会使相当多的分子离子中的共价键进一步裂解，产生广义的碎片离子优点：离子一般为单电荷离子 结构简单稳定，电离效率高，易于实现 共价键断裂具有可重复性，结果再现性好，便于计算 机检索及比较 离子碎片多，可提供较多的分子结构信息缺点：当样品分子稳定性不高时，分子离子峰强度低，甚至 不存在分子离子峰第26页/共139页化学电离软电离技术，通过离子-分子反应来完成。反应气体(一般是甲烷、异丁烷、氨等)在电离源中电离生成分子离子，高压下与样品分子撞击，通过质子传递发生电离 CH4+e CH4+2e CH4+CH4 CH5+CH3 CH5+M CH4+MH+（M+1+峰）CH5+M M CH5+（M+15+峰）优点：1）准分子离子峰强度高，便于推算分子量 2）用于色质联用仪器上，载气不必除去，可作为反 应气体 3）反映异构体的差别较EI谱要好些缺点：碎片离子峰少，强度低第27页/共139页EI和CI第28页/共139页场解吸电离(FD)一种软电离技术。样品被沉积在电极（带有微探针）上，在高电场的作用下，由于高曲率的针端产生很强的电位梯度，样品分子可被电离优点：电离快速，适合于和气相色谱联机 不需要汽化，适用于难汽化的、热不稳定样品 碎片离子峰少，或没有 可以得到明显的分子离子峰已逐渐被FAB取代第29页/共139页快原子轰击电离(FAB)一种广泛应用的软电离技术高能重原子(一般为Xe 或Ar)轰击调匀于基质(避免样品受过多的辐射，一般为甘油等)中的样品，形成单电荷的正离子和负离子M+1+峰(M+H)，M+23+峰(M+Na)等 特点：可完成连FD都有困难的、高极性、难汽化的化合物的电离 主要测定高分子量非挥发性分子的分子量 除分子离子峰外，其他低质量范围部分无用二次离子质谱(Secondary Ion MS,SIMS)：原理类似于FAB，但用重离子取代原子进行轰击，可用于固体表面分析和溶液样品的分析第30页/共139页基质辅助激光解吸电离Matrix-Assisted Laser Desportion Ionization,MALDI：将被分析化合物的溶液和某种基质溶液（烟酸或芥子酸）相混合。蒸发掉溶剂，则被分析物质与基质形成晶体或半晶体。用一定波长的脉冲式激光进行照射。基质分子能有效地吸收激光的能量，并间接地传给样品分子，从而使样品电离，并从基质中弹出而被检测特点：使一些难于电离的样品电离，且无明显的碎裂，从而得到完整的被分析化合物分子的电离产物 适用于与飞行时间质谱相配(MALDI-TOF MS)分析混合物 基质背景干扰大第31页/共139页蒸发电离主要应用于高效液相色谱HPLC与质谱仪的联用电喷雾电离(Electrospray Ionization,ESI)：从雾化器套管的毛细管端喷出的带电液滴，随着溶剂的不断快速蒸发，液滴迅速变小，表面电荷密度不断增大。由于电荷间的排斥作用，就会排出溶剂分子，得到样品的准分子离子。通常小分子得到带单电荷的准分子离子，而大分子则得到多种多电荷离子。检测质量可提高几十倍。是很软的电离方法，通常无碎片离子峰，只有整体分子的峰，十分有利于生物大分子的质谱测定大气压化学电离(Atmospheric Pressure Chemical Ionization,APCI)：喷出的液滴先汽化，随后溶剂分子被电离，发生CI过程。要求样品汽化，适用于弱极性的小分子化合物第32页/共139页质量分析器质谱仪的质量分析器位于离子源和检测器之间，依据不同方式将样品离子按质荷比m/z分开质量分析器的主要类型有：扇形磁场分析器 四极滤质器 离子阱捕获分析器 飞行时间分析器 傅立叶变换离子回旋分析器等第33页/共139页扇形磁场分析器单聚焦质量分析器(single-focusing)：使用扇型磁场，结构简单，操作方便，但是分辨率低。常见的单聚焦分析器是采用180、90或60的圆弧形离子束通道。下图为180单聚焦质量分析器原理示意图双聚焦质量分析器(double-focusing)：使用扇型电场及扇型磁场，分辨率高，但价格贵，操作和调整比较困难第34页/共139页四极质量分析器Quadrupole Mass Analyzer:由四根平行的棒状电极组成,与扇型磁场分析器的原理不同优点：结构简单、容易操作、价格便宜仅用电场而不用磁场，无磁滞现象，扫描速度快，适合与色谱联机操作时的真空度相对较低，特别适合与液相色谱联机缺点：分辨率不高 对较高质量的离子有质量歧视效应第35页/共139页离子阱离子阱(ion trap)与四极质量分析器的原理类似，也称为四极离子阱(quadrupole ion trap)；或因其储存离子的性质而称为四极离子储存器(quadrupole ion storage,QUISTOR)优点：1）单一离子阱可实现多极“时间上”的串联质谱2）结构简单、价格便宜，性能价格比高3）灵敏度高，较四极质量分析器高达10 1000倍4）质量范围大，可达6000缺点：质谱与标准谱有差别第36页/共139页飞行时间分析器飞行时间质谱计(time of flight,TOF-MS)：用一个脉冲将离子源中的离子瞬间引出，经加速电压加速，它们具有相同的动能进入漂移管，质荷比小的离子具有最快的速度因而首先到达检测器，质荷比大的离子则最后到达检测器优点：1）原理上检测离子的质荷比没有上限2）适合于与脉冲产生离子的电离源联用(MALDI-TOF)3）灵敏度高，适合于作串联质谱的第二级4）扫描速度快，适合研究极快过程5）结构简单、易于维护缺点：分辨率随质荷比的增加而降低第37页/共139页傅立叶变换离子回旋分析器傅立叶变换离子回旋共振质谱计（Fourier transform ion cyclotron resonance,FT-ICR）通过同时激发分析时内的所有质荷比的离子，通过对检测信号进行傅立叶变换得到质谱图优点：1）分辨率极高，可达1 106，但不导致灵敏度下降2）可实现多极“时间上”的串联质谱3）可采用各种电离源，便于与色谱仪器联机4）灵敏度高、质量范围宽，速度快、性能可靠第38页/共139页检测器包括Faraday杯、电子倍增器、闪烁计数器、照相底片等1)Faraday杯：与质谱仪的其他部分保持一定电位差以便捕获离子，当离子经过一个或多个抑制栅极进入杯中时，将产生电流，经转换成电压后进行放大记录特点：可检测10 15 A的离子流，但不适于高加速电压下的离子检测2)电子倍增器：类似于光电倍增管，可测10 18 A电流。但有质量歧视效应3)闪烁计数器：记录离子的数目第39页/共139页8.3 离子的类型分子在离子源中可产生各种电离，即同一分子可产生多种离子：分子离子 同位素离子 碎片离子 重排离子 亚稳离子第40页/共139页分子离子v分子离子(molecular ion,M+)：分子在离子源中失去一个或多个电子电子形成的离子即为分子离子v特点：分子离子含有奇数个电子，一般出现在质谱的最右侧，是确定分子量及分子式的重要依据v有机物分子离子丰度大小：芳香环 共轭烯 孤立烯 环状化合物 酮 醚 酯 胺 酸 醇 直链烃 支链烃第41页/共139页+分子离子有机物电子失去的程度：失去n电子形成的分子离子：失去电子形成的分子离子：失去电子形成的分子离子：正电荷位置不确定时用 表示:+RCRORCRO-e-eRCH2CH3RCH2CH3+HH-eRCHHCRHHRCHCRH+.+-en电子 电子 电子分子离子峰主要用于分子量的测定第42页/共139页同位素离子峰v同位素离子(isotopic ion)：含有同位素的离子v质谱中的分子离子(M+)和碎片离子(A+)都是由天然丰度最大的轻同位素组成的。比分子离子(M+)或碎片离子(A+)峰高1 3质量数处可观察到一些小峰，它们来自重同位素的贡献，称为同位素峰以甲烷(CH4)为例：在甲烷的质谱图中可以观察到m/z=16的分子离子峰和 m/z=17、m/z=18即M+1和M+2由同位素贡献的同位素峰，M、M+1、M+2峰构成同位素簇。同样，碎片离子也存在同位素簇 第43页/共139页同位素峰的强度v由于元素同位素的天然丰度不同，它们同位素峰的强度也不相同v同位素峰的强度不仅与重同位素天然丰度有关，还与分子所含元素的数目有关同位素丰度比%同位素丰度比%13C/12C1.1215N/14N0.362H/1H0.01533S/32S0.8017O/16O0.04037Cl/35Cl31.9818O/16O0.2081Br/79Br97.28第44页/共139页同位素峰的强度：只含CHON化合物在一般有机分子鉴定时，可以通过同位素峰的统计分布来确定其元素组成，分子离子的同位素离子峰相对强度之比总是符合统计规律的v CH4分子离子峰m/z=17和16的相对强度之比为0.011v 丁烷中出现一个13C的几率是甲烷的4倍，则分子离子峰m/z=59和58的强度之比I59/I58=0.044，同样出现M+2(m/z=60)同位素峰的几率为0.00024，非常小，故在丁烷质谱中一般看不到M+2+峰只含CHON化合物中，重同位素的丰度都较小，同位素峰很弱。其相对强度可按经验公式粗略估算：第45页/共139页同位素峰的强度：含Cl、Br和S化合物 化合物含一个Cl、Br和S时都具有比分子离子高2的同位素峰，它们的丰度较大，很容易识别vCH3F m/z=34，由于氟无同位素，其M+1峰的强度是M+峰的1，是由一个13C贡献的vCH3C1 m/z=50，可看出M+2 m/z=52的相对强度大约是分子离子的1/3 vCH3Br m/z=94，可见M:M+2=1:1。在MS谱中M与M+2峰强度相近可推断分子中含一个Br原子第46页/共139页同位素峰的强度：含Cl、Br和S化合物v在质谱中若M:M+2=3:1，那么可判断此化合物含一个Cl原子；若M:M+2=1:1，则可判断此化合物含一个Br原子。如果碎片离子中也含一个Cl或Br原子，则也具有A:A+2=3:1或1:1的特征v若含两个卤素原子(2个Cl或2个Br或l个Cl、1个Br)，在MS谱中除了M+2峰外还有M+4峰。当含三个卤原子时会出现 M+2、M+4、M+6的同位素峰第47页/共139页含Cl和Br化合物的同位素强度第48页/共139页硅硫氯溴组合的同位素丰度第49页/共139页同位素离子峰的应用由于34S、37Cl及81Br的丰度比很大，其同位素峰非常特征，可用来推断分子中是否含有S、Cl、Br及原子的数目。同位素峰强度比可用二项式(a+b)n求出含一个Cl，则 M:M+2=100:32.0 3:1，有a=3，b=1含一个Br，则 M:M+2=100:97.3 1:1，有a=1，b=1 例：含三个氯，则n=3、a=3、b=1(a+b)3=a3+3a2b+3ab2+b3=27+27+9+1则M:M+2:M+4:M+6 27:27:9:1第50页/共139页碎片离子v碎片离子(fragmention)：分子离子产生后可能具有较高能量，会通过进一步碎裂而释放能量，碎裂后产生的离子形成的峰称为碎片离子峰v有机化合物受高能作用时会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。但由此获得的分子拼接结构并不总是合理的，因为碎片离子并不是只由M+一次碎裂产生，而且可能会由进一步断裂或重排产生，因此要准确地进行定性分析最好与标准图谱进行比较第51页/共139页与碎片离子相关的符号和缩写第52页/共139页重排离子峰在两个或两个以上键的断裂过程中，某些原子或基团从一个位置转移到另一个位置所生成的离子，称为重排离子。质谱图上相应的峰为重排离子峰。转移的基团常常是氢原子。如醇分子离子经脱水后重排可产生新的重排离子峰第53页/共139页亚稳离子若质量为m1的离子在离开离子源受电场加速后，在进入质量分析器之前，由于碰撞等原因很容易进一步分裂失去中性碎片而形成质量为m2的离子，即m1 m2+m，由于一部分能量被中性碎片带走，此时的m2离子比在离子源中形成的m2离子能量小，故将在磁场中产生更大偏转，观察到的m/z较小。则把这种在飞行中发生裂解的母离子称为亚稳离子(metastable ion)，由它形成的质谱峰为亚稳峰(metastable peak)，此峰可看成m1和m2的“混合峰”，因此形成“宽峰”，极易识别质荷比一般不是整数，与母离子和子离子有如下关系：第54页/共139页亚稳离子亚稳离子峰由于其具有离子峰宽大(约2 5个质量单位)、相对强度低(强度仅为m1峰的1 3%)、m/z不为整数等特点，很容易从质谱图中观察出来 通过亚稳离子峰可以获得有关裂解信息，通过对m*峰观察和测量，可找到相关母离子的质量m1与子离子的质量m2，从而确定裂解途径例如:在十六烷质谱中发现有几个亚稳离子峰，其质荷比分别为32.8，29.5，28.8，25.7和21.7，其中29.5 412/57，则表示存在分裂：C4H9+C3H5+CH4 m/z=57 m/z=41但并不是所有的分裂过程都会产生m*，因此没有m*峰并不意味着没有某一分裂过程 第55页/共139页示例 1v对氨基茴香醚在m/z=94.8及59.2处出现了两个亚稳峰，可证明某些离子间的裂解关系v两个亚稳峰的存在证明了m/z=80的离子是由分子离子经两步裂解而不是一步裂解生成第56页/共139页示例 2第57页/共139页8.4 分子离子峰的确定和分子式的推测分子离子的判别n必须是化合物谱图中质量最高的离子n必须的奇电子离子、符合氮规则n必须能通过丢失合理的中性离子，产生谱图中高质量区的重要离子奇电子离子(OE)：带有未成对电子的离子，计算不饱和度U，如果U为整数，则为奇电子离子，为半整数时为偶电子离子(EE)第58页/共139页CH3NO2m/e 137(M+)CH3CH2CH2COOH m/e 88(M+)(i)CH3I (ii)CH3CN(iii)C2H5NH2(iv)H2NCH2CH2NH2NH(v)氮规则当分子中含有偶数个氮原子或不含氮原子时，分子量应为偶数；当分子中含有奇数个氮原子时，分子量应为奇数试判断下列化合物的分子离子峰的质荷比是偶数还是奇数？第59页/共139页如何辩认分子离子峰1)原则上分子离子峰应当是质谱图中除同位素峰以外质荷比(m/z)最高的峰，但往往最高质荷比的峰不一定是分子离子。原因：有高质量杂质，杂质峰出现在最高质量端 汽化温度过高导致样品分解 化合物自身不稳定，分子离子进一步碎裂芳醛、醇类H易被电子轰击而丢失，故醇的M+峰很弱甚至观察不到，而M-H峰较强新戊烷C(CH3)4易丢失甲基，得不到m/z=72的分子离子峰，只能得到M-CH3的m/z=57强峰醚、胺、酯的(M+H)+峰第60页/共139页如何辩认分子离子峰2)分子离子峰应符合“氮规律”。3)分子离子峰与邻近峰的质量差是否合理 有机分子失去碎片大小是有规律的：失去H、CH3、H2O、C2H5，因而质谱图中可看到M-1，M-15，M-18，M-28等峰一般不可能出现M-3，M-14，M-24等峰;如出现这样的峰，则该峰一定不是分子离子峰第61页/共139页如何辩认分子离子峰若判断m/z=58是分子离子峰，分子式为C4H10符合氮规律，m/z=43可能是M-CH3，m/z=42可能是M-CH4，m/z=41可能是M-CH3-H2。则m/z=58的峰与相邻峰的质量差都较合理，很可能是分子离子峰如图所示，最高质量端有两个峰m/z=57和58，若判断m/z=57是分子离子峰，其分子式为C3H7N，符合氮规律。m/z=42可 能 是 M-CH3，m/z=41可能是M-NH2，都是合理的丢失，但m/z=43则是M-CH2，这种丢失不合理第62页/共139页如何辩认分子离子峰4)采用高分辨的质谱来判断：分子离子峰一定是单一的峰，其精确质量数只有一个在某质谱图中最高质量数的峰是m/z=158，未知结构时容易将图中最后一个峰m/z=158判断为分子离子峰。做一张高分辨质谱图，实际上m/z=158的峰是由两个峰组成，即m/z=158.1181和m/z=158.0817。在高分辨的质谱图中出现双峰说明它不是分子离子，是结构不同质量数相近的碎片离子或杂质离子峰5)EI源中，当电子轰击电压降低，强度不增加的峰不是分子离子峰6)由亚稳离子来判断第63页/共139页辩认分子离子峰：示例1不含氮原子，符合氮规则与最大离子相邻的离子差值为13，不合理，所以114不是分子离子峰第64页/共139页辩认分子离子峰：示例2最大离子为122，相邻的120可以考虑为同位素峰，由于丰度近似，可能为Br，高质量离子与最大离子的差值合理，可能120为分子离子峰第65页/共139页辩认分子离子峰：示例3最大离子84，最近离子69，相差15，合理，但84不是分子离子峰，实为 M-H2O，该谱图为己醇的谱图。第66页/共139页如何获得分子离子峰质谱图中不出现分子离子峰时可采取：(1)降低热电子能量(电离电压)随着热电子能量的增加，分子离子的化学键会进一步开裂，使分子离子峰的强度逐渐减弱。因此适当地增加样品的量并降低轰击热电子的电压可使分子离子峰增强右图是二苯酮的分子离子(M+)和碎片离子(A+)与轰击电子电压的关系。分子离子峰的强度随电子电压的降低而增强，而碎片峰强度同时降低，但电离电压过低会降低离子化效率和检出灵敏度第67页/共139页如何获得分子离子峰(2)采用软电离技术采用化学电离(CI)、场致电离(FI)、场解吸电离(FD)以及大气压电离(API)等能形成稳定的分子离子上图是3,3-二甲基戊烷的EI源与FI源的质谱图。采用EI源时，分子离子峰m/z=100没出现，可观察到M-CH3的m/z=85峰。FI源时m/z=100的分子离子峰较强，其碎片峰远少于EI源的质谱图第68页/共139页如何获得分子离子峰(3)降低汽化温度降低汽化温度可使M+峰强度明显增强例如三十烷在340时观察不到M+峰，70时M+峰很强，但汽化温度低、离子源受污染严重，应尽量在能看到分子离子峰的情况下提高汽化温度(4)制备易挥发的衍生物一些难于挥发的有机物，如-氨基酸、脂肪酸和醇等可按照特定的反应制备成易挥发的酯、醚和硅醚等，再测定它们的质谱第69页/共139页v峰强度与结构的关系:v丰度大反映离子结构的稳定性v在元素周期表中自上而下，自右至左，杂原子外层未成键电子越易被电离，容纳正电荷能力越强，S N O，n ，含支链的地方易断，即总是在分子最薄弱的地方断裂v不同类型有机物有不同的裂解方式v相同类型有机物有相同的裂解方式，只是质量数的差异v需要经验记忆裂解类型大体可分为四种：简单断裂、重排、复杂裂解和双重重排。前两种在质谱上最常见；后两种较复杂，不作介绍8.5 分子的裂解及其分类第70页/共139页简单断裂一个键发生裂解称简单断裂常见断裂方式有：均裂、异裂和半均裂均裂(homolytic cleavage)：在键断裂后，两个成键电子分别保留在各自的碎片上的裂解过程第71页/共139页简单断裂异裂(heterolytic cleavage)：在键断裂后，两个成键电子，全部转移到一个碎片上的裂解过程半异裂：离子化键的开裂，即：第72页/共139页断裂：烷烃烷烃化合物断裂多在C-C之间发生，且易发生在支链上：第73页/共139页断裂：烯烃和羰基化合物烯烃多在双键旁的第二个键上开裂：含C=O键化合物的开裂多在与其相邻的键上：R CROR O+ORO+OCH3CHCHCH3CH3CHCH+第74页/共139页断裂：芳香烃苯的最强峰为M+，芳香族化合物将先失去取代基，再形成卓鎓离子（苯甲离子）第75页/共139页断裂：含杂原子化合物在含有杂原子的饱和脂肪族化合物质谱中，由于杂原子的定位作用，断裂将发生在杂原子周围，断裂的键位顺序为、和位对于含有电负性较强的杂原子如Cl、Br等，发生以下反应：R X R+X可以通过共振形成正电荷稳定化的离子时，发生以下反应：第76页/共139页离子是通过断裂两个或两个以上的键，结构重新排列形成的，这种方式称为重排(rearrangement)McLafferty重排：当化合物中含有不饱和中心C=X(X=O，N，S，C)基团，而且与这个基团相连的键上具有氢原子时，此氢原子可以转移到X原子上，同时键发生断裂，脱掉一个中性分子当碎片离子的质量数和简单断裂所预期产生的碎片相差一个质量时(偶得偶，奇得奇)，表明有重排发生重排第77页/共139页重排反Diels-Alder裂解：这是以双键为起点的重排，在脂环化合物、生物碱、萜类、甾体和黄酮等的质谱上，经常可看到这种重排产生的碎片离子峰，这种裂解一般会产生共轭二烯离子第78页/共139页8.6 各类有机化合物的质谱饱和烃的质谱图烯烃的质谱图芳烃的质谱图醇和酚的质谱图醚的质谱图醛和酮的质谱图羧酸和酯类的质谱图胺类的质谱图第79页/共139页饱和烃的质谱图直链烷烃分子离子峰较弱：C1(100%)，C10(6%)，C16(小)，C45(0)形成峰簇，峰簇之间相差14个质量单位，具有一系列m/z相差14的CnH2n+1碎片离子峰(-断裂)：29、43、57、71等，基峰为C4H9+m/z=57或C3H7+m/z=43有m/z=27、41、55、69、CnH2n-1系列峰C2H5+(m/z=29)C2H3+(m/z=27)+H2有m/z=28，42，56，70，CnH2n系列峰(四元环重排)第80页/共139页饱和烃的质谱图比分子离子峰质量数低的下一个峰簇顶点是M-29，而带有甲基分枝的烷烃则是M-15，可使用这一差异区分直链烷烃和带甲基分枝的支链烷烃支链烷烃分子离子峰强度比直链烷烃低在分枝处优先裂解，电荷留在有分枝的碳离子上，形成稳定的仲碳或叔碳阳离子分枝断裂处易失去单个氢，生成较强的CnH2n第81页/共139页饱和烃：正壬烷第82页/共139页饱和支链烷烃：5-甲基十五烷第83页/共139页饱和烃的质谱图环烷烃 环结构影响，分子离子峰强度相对较强 在环的支链处断裂，生成CnH2n-1，或失去氢，生成CnH2n-2碎化特征是失去C2H4第84页/共139页环烷烃：环己烷M=8 4C y cl o h e x a n e8 4(M )5 6(C4H8+)4 1(C3H5+)1008090100605030204070%OF BASE PEAK0204060801001030507090110第85页/共139页98(M)1 00809 01 0 06 05 03 0204 07 0%OF BASE PEAK02 04 06 08 01 0 01 03 0507 09 01 1 08369554129环烷烃：甲基环己烷第86页/共139页烯烃的质谱图有双键，分子离子峰较稳定，丰度较大电离情况下，双键可迁移，有一系列间隔14个质量单位的以CnH2n-1为顶点的碎片离子峰簇，通式为41+14n双键-C上有氢时，具有麦氏重排离子：顺式和反式无明显差别第87页/共139页烯烃：异己烯双键迁移第88页/共139页芳烃的质谱图1)分子离子稳定，峰较强2)烷基取代苯易发生 裂解，产生m/z=91的卓鎓离子（tropylium ion）是烷基取代苯的重要特征3)卓鎓离子可再裂解生成环戊二烯及环丙烯离子第89页/共139页芳烃的质谱图4)取代苯也能发生 裂解，产生苯离子，进一步裂解成环丙烯离子和环丁二烯离子 5)具有氢的烷基取代苯，能发生麦氏重排裂解，产生m/z=92（C7H8+）的重排离子第90页/共139页芳烃：丙苯卓鎓离子麦氏重排裂解产物第91页/共139页芳烃：丁苯第92页/共139页芳烃：丁苯第93页/共139页醇和酚的质谱图:醇分子离子峰很小易发生 裂解易发生脱水的重排反应，产生M-18 离子直链伯醇会出现含羟基的碎片离子（31、45、59）、烷基离子（29、43、57）及链烯离子（27、41、55）三种系统的碎片离子第94页/共139页醇和酚的质谱图:醇重排离子峰第95页/共139页醇类：正戊醇第96页/共139页醇类：2-戊醇第97页/共139页醇类：2-甲基-2-丁醇第98页/共139页醇类：苄醇第99页/共139页醇类：邻甲基苄醇和羟甲基苯酚第100页/共139页醇和酚的质谱图:酚类第101页/共139页苯酚6655M+:9465第102页/共139页o-乙基苯酚第103页/共139页醚的质谱图a.分子离子峰比相应的醇丰度稍高b.最大的烷基基团会首先发生裂解，裂解方式与醇 相似c.烷基带支链发生裂解时，多形成碳正离子第104页/共139页醚的质谱图d.位支链醚多发生以下方式重排：e.苯基醚类会首先失去另一烷基而不是氢，形成类似于苯酚的离子，之后脱去CO第105页/共139页醚类：乙基异丁基醚第106页/共139页a.分子离子峰明显，芳醛比脂醛峰强度大b.易发生裂解，产生R+及M-1峰醛和酮的质谱图:醛第107页/共139页醛和酮的质谱图:醛c.有 氢的醛发生麦氏重排，产生m/z 44离子d.醛也可发生 裂解e.芳香醛多发生裂解，失去H（M-1）或CHO（M-29）第108页/共139页醛类：戊醛M+86M-1 85m/z 44第109页/共139页醛类：壬醛第110页/共139页醛类：间甲基苯甲醛M+120M-1 119第111页/共139页a.分子离子峰明显b.易发生 裂解c.具有 氢的酮，能发生麦氏重排离子醛和酮的质谱图:酮第112页/共139页酮类：环己酮第113页/共139页酮类：对氯二苯甲酮第114页/共139页a.一元饱和羧酸及其酯的分子离子峰一般都较弱，芳酸及其酯的分子离子峰强b.易发生 裂解c.含有 氢的羧酸和酯易发生麦氏重排羧酸和酯类的质谱图第115页/共139页酸类：己酸第116页/共139页酯类：辛酸甲酯第117页/共139页胺类的质谱图遵循氮规则多发生-裂解，对于伯胺可观测到m/z=30基峰，作为判断伯胺的根据不易发生麦氏重排，即使烷基为长链观测不到失去NH3（M-17）的峰环烷基胺类裂解机理复杂，随环大小迥异芳香胺分子离子峰强度高，首先失去氢，之后失去HCN第118页/共139页胺类：正戊胺M+87第119页/共139页胺类：二丙胺M+101第120页/共139页胺类：三丙胺M+143第121页/共139页胺类：哌啶第122页/共139页胺类：N-乙基-N-环戊基胺第123页/共139页8.7 质谱解析示例质谱应用广泛，可提供以下信息：1)分析样品元素组成、测定分子量2)推知无机、有机及生物大分子的结构：结构不同，分子或原子碎片不同(荷质比不同)3)复杂混合物的定性定量分析：与色谱方法联用(GC-MS)4)固体表面结构和组成分析：激光烧蚀、等离子体，与质谱联用5)样品中原子的同位素比。测定分子中Cl和Br等的原子数第124页/共139页质谱定性分析1)分子量确定一般，分子离子峰的质荷比等于分子量。确定化合物分子量后，通过计算法、查表法等可得到分子式例：用高分辨率质谱仪测得某有机物M+的精密质量为166.06299，试确定分子式解：查精密质量表，质量接近166.06299的有三个，其中C3H8N3O2不符合氮律，应否定；C8H10N2O2的质量与未知物相差超过0.005%，应否定。因此，分子式可能是C9H10O3 2)确定元素组成，即确定分子式或碎片化学式如：利用元素的同位素丰度:第125页/共139页波谱解析(1)首先确认分子离子峰，确定分子量(2)用同位素峰强比法或精密质量法确定分子式(3)计算不饱和度(4)解析某些主要质谱峰的归属及峰间关系；(5)推定结构(6)验证：查对标准光谱验证或参考其它光谱及物理常数第126页/共139页示例1正庚酮有三种异构体，其一质谱如图所示试确定羰基位置：酮易