第九章 质谱分析法.pdf

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1、第九章质谱法9.1概述质谱分析法（mass spectrometry）是通过样品离子的质量和强度的测定，来进行成分和结构分析的一种分析方法。1质谱过程与光谱过程对比图9-1质谱过程与光谱过程对比质谱与光谱的过程类似，但基本原理不同（图9-1）图 9-1（3）显示了质谱的全过程：样品通过进样系统进入离子源，由于结构性质不同而电离为各种不同质荷比（m/z）的离子碎片，而后带有样品信息的离子碎片被加速进入质量分析器，在其磁场作用下，离子的运动半径与其质荷比的平方根成正比， 因而使不同质荷比的离子在磁场中被分离， 并按质荷比大小依次抵达检测器， 经记录即得样品的质谱 （massspectrum MS）

2、 。2质谱分析法的特点和用途质谱是定性鉴定与研究分子结构的有效方法。主要特点是：（1）灵敏度高，样品用量少：目前有机质谱仪的绝对灵敏度可达5 pg（pg 为 1012g） ，有微克量级的样品即可得到分析结果。（2）分析速度快：扫描11000u一般仅需 1几秒，最快可达1/1000 秒，因此，可实现色谱-质谱在线联接。（3）测定对象广：不仅可测气体、液体，凡是在室温下具有107Pa 蒸气压的固体，如低熔点金属（如锌等）及高分子化合物（如多肽等）都可测定。质谱法的用途：（1）求准确的分子量：由高分辨质谱获得分子离子峰的质量，可测出精确的分子量。（2）鉴定化合物：如果事先可估计出样品的结构，用同一装

3、置，同样操作条件测定标 u=原子质量单位，1u=1.66056551027kg准样品及未知样品，比较它们的谱图可进行鉴定。（3）推测未知物的结构：从离子碎片获得的信息可推测分子结构。（4）测定分子中 Cl、Br 等的原子数：同位素含量比较多的元素（Cl、Br 等） ，可通过同位素峰强度比及其分布特征推算出这些原子的数目。9.2质谱仪及其工作原理9.2.1原理图 9-2 是质谱仪的示意图。质谱仪由离子化、质量分离和离子检测等三部分组成。被气化的分子，受到高能电子流（70eV）的轰击，失去一个电子，变成带正电的分子离子。 这些分子在极短的时间内， 又碎裂成各种不同质量的碎片离子、 中性分子或自由基

4、。在离子化室被电子流轰击而生成的各种正离子， 受到电场的加速，获得一定的动能，该动能与加速电压之间的关系为：1mv2 zV2（9.1）m正离子质量，v正离子速度z正离子电荷，V加速电压图9-2质谱分析仪示意图加速后的离子在质量分析器中，受到磁场力（Lorentz 力）的作用，作圆周运动时，运动轨迹发生偏转。而圆周运动的离心力等于磁场力：v2m R=Hzv（9.2）式中 H磁场强度，R离子偏转半径。经整理：R2H2m /z 2V（9.3）2Vm2zH（9.4）后边两式，为磁偏转分析器的质谱仪方程。式中单位 m，原子质量单位；z，离子所带电荷的数目；H，高斯；V，伏特；R，厘米。在上式，依次改变磁

5、场强度 H 或加速电压 V，就可以使具有不同质荷比 m/z 的离子按次序沿半径为 R 的轨迹飞向检测器，从而得到一按m/z 大小依次排列的谱质谱。9.2.2离子源离子源的功用是将样品分子或原子电离成离子。质谱仪的离子源种类很多，其原理和用途各不相同，离子源的选择对样品测定的成败至关重要， 尤其当分子离子不易出峰时， 选择适当的离子源，就能得到响应较好的质谱信息。下边简单介绍几种常用的离子源。1电子轰击源（Electron impact Source EI）电子轰击源由离子化区和离子加速区组成 （见图9-3） 。 在外电场的作用下， 用 （8100ev）R 的热电子流去轰击样品， 产生各种离子，

6、然后在加速区被加速而进入质量分析器。 这是一种最常用的离子化方法。利用电子轰击源得到的离子流稳定性好，碎片离子产额高，应用广泛。但当样品分子量太大或稳定性差时，常常得不到分子离子，因而不能测定分子量。图 9-3电子轰击源A：阳极C：阴极（灯丝）i：电子流R：排斥S1，S2：加速极F：聚集极I：离子流2化学电离源（chemical ionization Source CI）化学电离源是为解决上述问题而发明的一种软离子化技术。它与EI 不同，样品不是通过电子碰撞而是与试剂离子碰撞而离子化。 （图 9-4）为化学电离源示意图。样品放在样品探头顶端的毛细管中， 通过隔离子阀进入离子源。 反应气经过压强

7、控制与测量后导入反应室。反应室中， 反应气首先被电离成离子， 然后反应气的离子和样品分子通过离子分子反应，产生样品离子。图 9-4化学电离源灯丝 反应室 样品 真空测量规 气流控制阀 切换阀 前级真空室 隔离阀3等离子解吸质谱（plasma desorption MS，PDMS）用锎 （252Cf） 放射性衰变过程中产生的裂解碎片， 使大分子离子化的方法称252Cf-PDMS。即用252Cf-PDMS 离子源使非挥发性分子解离所产生的离子，主要是MH+、MNa+等。4快速原子轰击源（fast atom bombardment，FAB）FAB电离法是在 80 年代初发展起来的。它利用快速中性原子

8、来轰击样品溶液的表面，使分子电离的方法。此法常采用液体基质（如甘油）将样本溶于极性、粘稠的高沸溶剂中，然后快原子枪射出的快原子来轰击于基质中的样品而产生离子。 这种方法使分子电离的能量很低，通常没有分子离子峰，而易得到加成离子峰MH+（M+1）峰。且 FAB是研究极性、高分子量、非挥发性和热不稳定分子的重要离子化方法。但 FAB 离子化法缺点在于其基质会产生众多的质谱峰，几乎在每个质量座标处都产生化学噪音，有时有可能会错误解析。5场解吸离子源（field desorption FD）EI、 CI 离子源需要使样品气化， 所以难挥发或热不稳定的样品不宜用EI、 CI 方法电离。1969 年 Be

9、ckey 提出了 FD 离子化法。 该法将非挥发性有机化合物涂在发射器表面的微针上，然后将发射丝上通电流， 使样品分子在强电场下电离解吸， 并在减压条件下，施加一适当高电压（发射微针为正高压，电位差约 1kV 左右） ，从而可得到较强的或 MH+离子。该离+.M子化法的特点是或 M+1 峰很强，且碎片离子少。+M.FD 法的缺点是测定技术难度较大，重现性不太理想。6场致电离（field ionization FI）FI 离子源中有一场致射器是一个长满微针的细金属线上加上很高的电压（约 10kV） ，当样品的气压分子一旦与这些针尖接触， 就会因特别大的电位梯度而产生 “隧道效应”使分子只接收很小

10、的能量，失去电子后的正离子飞向分析器。FI 源可得到较强的分子离子峰。图 9-6 为 D-葡萄糖的 EI、FI 和 FD 质谱。在 EI（a）中，M 峰和（m+1）峰不出现；而在 FD 和 FI 中的（m+1）峰为基峰，均有较为明显的 M 峰，且在 FD 中，碎片离子峰也较少。若将三谱对照，能较好地解析有机化合物的分子结构。随着仪器分析的不断发展， 科学工作者不断地推出不同的离子源如二次离子源， 激光解吸离子源等等，此处不一一介绍。图9-5D-葡萄糖的质谱（a） EI， （b） FI 和（c）FD9.2.3质量分析器（mass analyzer）质量分析器种类很多，此处仅介绍常见的磁偏转质量分

11、析器和四极杆质量分析器。1磁偏转质量分析器（1）单聚焦质量分析器 （Single focusing mass analyzer）在离子源生成的离子被加速后，在质量分析器中受到磁场力的作用，轨迹发生偏转，其偏转半径为原理中（9.4）式所述，由 V、H 和 m/z 三者决定。单聚焦磁偏转质量分析器及其离子轨迹示意图9-6。在质谱仪中，离子接收器是固定的，即 R 是固定的，当加速电压 V 和磁场强度 H 为某一固定值时，只有一定质荷比的离子可以满足（9.4）式通过狭缝到达接收器。改变加速电压或磁场强度，均可改变离子的轨迹半径。如果使H 保持不变，连续地改变V（电压扫描）可使不同 m/z 的离子顺序通

12、过狭缝到达接收器， 得到某个范围的质谱； 加速电压越高可测的质量范围越小，反之越大；同样，使V 保持不变，连续地改变H， （磁场扫描）也可使不同m/z 的离子被接收。图9-6单聚焦磁偏转质量分析器及其离子轨迹示意图由上分析可知，由离子源发出的具有不同质量的离子，经过磁场后，可按一定的m/z顺序彼此分开， 即磁场对不同质量的离子的质量色散作用。 同时由一点发出的具有相同质量、不同发射角的离子束，以一定速度进入磁场， 经磁偏转后会重新聚在一起。 即磁场对于有一定发散角的质量相同的离子有会聚作用， 这种会聚作用称为方向聚焦。 它可同时提高质谱仪的分辨率和灵敏度。但单聚焦质量分析器没有考虑离子束中各离

13、子的能量实际是有差别的。 这种差别的存在使同种离子沿略为不同的飞行半径偏转， 造成质量记录的偏差， 而使单聚焦质量分析器分辨率不高。为了克服之，人们又设计发明了双聚焦质量分析器。（2）双聚焦质量分析器 （Double focusing mass analyzer）在磁偏转分析器的前面加一个由一对金属板电极组成的静电分析器。 在测定时，静电器只允许特定能量的离子通过。 然后通过狭缝进入磁偏转分析器，这样可使分辨率大大提高。2四极杆质量分析器（Quadrupole mass analyzer）四极杆质量分析器的主体是由四根平行的金属杆组成（图 9-7） 。为了加工方便，这四根极杆常用圆柱形电极代替

14、。 离子的质量分离在电极形成的四极场中完成。 其工作原理是将四根电极分为四组， 分别加上直流电压和具有一定振幅和频率的交流电压。 当一定能量的正离子沿金属杆间的轴线飞行时， 将受到金属杆交、 直流叠加电压作用而波动前进。 这时只有少数离子 （满足 m/z 与四极杆电压和频率间固定关系的离子） 可以顺利通过电场区到达收集极。其它离子与金属杆相撞、放电， 然后被真空系统抽走。如果依次改变加在四极杆上的电压或频率，就可在离子收集器上依次得到不同m/z 的离子信号。四极杆质量分析器具有扫描速度快，结构简单、价格较低，易于控制等特点。图9-7四极杆质量分析器示意图9.2.4离子检测器和记录器作为离子检测

15、器的电子倍增器种类很多，但基本工作原理相同。一定能量的离子打到电极的表面，产生二次电子，二次电子又受到多极倍增放大， 然后输出到放大器，放大后的信号供记录器记录。电子倍增器常有1020 级，电流放大倍数为105108倍。电子通过电子倍增器时间很短， 利用电子倍增器可实现高灵敏度和快速测定。 质谱仪常用的记录器是紫外线记录器。紫外线由高压水银灯发生，照射到振子（检流计）反射镜上，当放大后的离子流信号加到振子的动圈上时，振子产生偏转， 偏转角与信号幅值成比例，因此，由振子反射镜反射的光线， 表示了不同 m/z 离子流的强度。 反射的紫外线通过透镜作用到转动的紫外感光记录纸上，即得到质谱图。9.2.

16、5质谱仪的主要性能指标1 分辨率 （resolution power） 分辨率表示仪器分开两个相邻质量的能力， 通常用 R=M/M 表示。M/M 是指仪器记录质量分别为M 与 M+M 的谱线时能够辩认出质量差M的最小值。 在实际测量中并不一定要求两个峰完全分开， 一般规定强度相近的相邻两峰间谷高小于两峰高的 10%作为基本分开的标志（见图9-8） ，这时分辨率用 R10%表示。例CO 和 N2所形成的离子，其质荷比分别为27.9949（M）及28.0061（M+M） ，若某仪器刚能基本分开这两种离子则该仪器的分辨率为：R 2质量范围质谱仪的质量范围是指仪器所能测量的离子质荷比范围。如果离子只带

17、一个电荷， 可测的质荷比范围实际上就是可测的分子量或原子量范围， 有机质谱仪的质量范围一般从几十到几千。3 灵敏度有机质谱仪常采用绝对灵敏度， 它表示对于一个样品在一定分辨率情况下，产生具有一定信噪比的分子离子峰所需要的样品量。M27.9949 2500M28.0061 27.9949图 9-8分辨率9.2.6质谱质谱的表示方式很多，除用紫外记录器记录的原始质谱图外，常见的是经过计算机处理后的棒图及质谱表。其他尚有八峰值及元素表（高分辨质谱）等表示方式。现以多巴胺为例说明：1棒图多巴胺的原始质谱经计算机处理后，获得的棒图如图9-9。棒图中，横座标表示质荷比（m/z） ，其数值一般由定标器或内参

18、比物定出来。纵座标表示离子丰度（ion abundance）即离子数目的多少。表示离子丰度的方法有两种，即相对丰度和绝对丰度。图9-9多巴胺的质谱相对丰度（retalive abundance） ，又称相对强度，是以质谱中最强峰的高度定为100%，并将此峰称为基峰（base peak） 。然后，以此最强峰去除其他各峰的高度，所得的分峰即为其他离子的相对丰度。2质谱表把原始质谱图数据加以归纳，列成以质荷比为序的表格形式。3八峰值由化合物质谱表中选出八个相对强峰，以相对峰强为序编成八峰值，作为该化合物的质谱特征，用于定性鉴别。未知物，可利用八峰值查找八峰值索引（eight peakindex of

19、 mass spectra）定性。用八峰值定性时应注意，由于质谱受实验条件影响较大，同一化合物质谱八峰值可能含有明显差异。4元素表（element list）高分辨质谱仪可测得分子离子及其它各离子的精密质量，经计算机运算、对比，可给出分子式及其他各种离子的可能化学组成。 质谱表中，具有这些内容时称为元素表。9.3离子类型在质谱中出现的离子有分子离子、碎片离子、重排离子、同位素离子、亚稳离子、复合离子及多电荷离子（后两种离子较少出现） 。每种离子形成相应的质谱峰，它们在质谱解析中各有用途。9.3.1分子离子+.表示。分子失去一个电子所形成的离子为分子离子（molecular ion） 。常用符号

20、MM e+M.+ 2e+失去电子，优先发生在最容易电离的部位。例如分子中-电子和杂原子上的孤对电子比-电子容易失去；在键中，C-C 键又比 C-H 键容易电离。例如，含杂原子或羰基类的化合物分子失去一个n 电子形成分子离子：RCOR e RCOR R或COR1+.+.含双键和芳环的分子失去一个电子形成分子离子：+.RCH=CHR e R CHe.或CHR RCH=CHR+.或+.以上各式中表示分子失去一个电子形成带奇数电子的正离子。表示分子离子时，尽+量把正电荷位置标清楚，以便判断分子进一步裂解的方位。.9.3.2碎片离子分子在电离室获得的能量，超过分子离子化所需的能量时，过剩的能量切断分子中

21、某些化学键而产生碎片离子（fragment ion） 。碎片离子再受电子流的轰击，又会进一步裂解产生更小的碎片离子。图 9-10正辛酮-4-的质谱在图 9-10 质谱图中 m/z 29、43、57、71 及 85 等质谱峰为碎片离子峰，m/z 128 是分子离子峰。9.3.3重排离子分子离子在裂解过程中，通过断裂两个或两个以上的键，结构重新排列而形成的离子被称为重排离子（rearrangement ion） 。重排方式很多，但有些重排由于是无规律重排，其结果很难预测，称为任意重排，这样的重排对结构的测定无用处。多数重排是有规律的， 它包括分子内氢原子的迁移和键的两次断裂， 生成稳定的重排离子。

22、 这种类型的重排对化合物结构的推测是很有用的。例如麦氏重排，逆 Diels-Alder 重排、亲核性重排（第四节介绍）等对预测化合物结构是非常有帮助的。重排离子峰可以从离子的质量数与它相应的分子离子来识别。通常不发生重排的简单裂解， 质量为偶数的分子离子裂解得到质量为奇数的碎片离子； 质量为奇数的分子裂解为偶数或奇数（与 N 原子的奇偶和是否存在于碎片中有关）的碎片离子。若观察到不符合此规律（如质量为偶数的分子离子裂解得到质量为偶数的碎片离子） ，则可能发生了重排。例：戊酮-2HCH2CH2CH2+.OH+.OCCH2= CH2CH2C+.CH3( OE)+.CH3( OE)58m/z86m/

23、z戊酮-2 离子是奇数电子+，偶数质量，经过重排断裂后生成的碎片仍是奇数电子+( OE.)( OE.)，偶数质量。9.3.4同位素离子大多数元素都是由具有一定自由丰度的同位素组成的。在质谱图中，会出现含有这些同位素的离子峰。这些含有同位素的离子称为同位素离子（isotopic ion） 。例：辛酮-4 质谱图上 m/z 129 为同位素峰。它的质量数比分子离子峰（ M）大一个质量单位，可由 M+1 表示。这是由于所含的八个碳中有一个碳是13C 之故。有机化合物一般由 C、H、O、N、S、Cl 及 Br 等元素组成，它们的同位素丰度比如表9-3 所示。表9-1同位素的丰度比同位素丰度比%13C/

24、12C2H/1H17O/16O18O/16O15N/14N33S/32S34S/32S37Cl/35Cl81Br/79Br1.120.0150.0400.200.360.804.4431.9897.28表中丰度%，是以丰度最大的轻质同位素为100%计算而得。M 1M 2重质同位素峰与丰度最大的轻质同位素峰的峰强比，用M、M、表示。 其数值由同位素丰度比及原子数目决定。表 9-1 中2H 及17O 的丰度比太小，可忽略不计。34S、37Cl 及81Br 的丰度很大，因而可以利用同位素峰强比推断分子中是否含有S、Cl、Br 及原子的数目。举例说明如下：118图 9-11 氯化物（a）与溴化物（b）

25、的同位素峰强比图 9-12氯仿的同位素峰强比（1）分子中含氯及溴原子含一个氯原子M : M+2=100 : 32.03 : 1含一个溴原子M : M+2=100 : 97.31 : 1 如图 9-11 所示。分子中若含三个氯，如CHCl3，会出现 M+2、M+4 及 M+6 峰。如图 9-12 所示。35ClClHC35ClClHC122935ClClHC124137ClClHC3535353737373737Cl12027m/z:118%:27丰度比ClClCl同位素峰强比可用二项式（a+b）n求出。a 和 b 为轻质及重质同位素的丰度比，n 为原子数目。例如：含三个氯：n=3、a=3、b=

26、1（a+b）3= a3+ 3a2b + 3ab2+ b3=27 + 27 + 9 + 1（M） （M+2） （M+4） （M+6）（2）分子中只含碳、氢及氧原子：M 1（M+1） % =M100% =1.12nc1.1nc（9.5）因 M+2 峰由分子中含两个13C 或一个18O 产生，而峰强比具有加合性，故：2nc（M+2）%=0.006+0.2no13C 对 M+2 峰的贡献服从二项式分布：（9.6）式 9.5 及 9.6 中：nc与 no为分子式中碳与氧原子的数目。例：计算庚酮-4（C7H14O）的 M+1 及 M+2 峰。（M+1）%=1.17=7.7（实测为 7.7）（M+2）%=0

27、.00672+0.201=0.29+0.20=0.49（实测为 0.46）（M+2）%的计算说明：C5C2*H14O*在 M+2 峰中的贡献分别为 0.29 及 0.20。（3）分子中含 C、H、O、N、S、F、I、P，而不含 Cl、Br 及 Si 时：（M+1） %=1.12nc+0.36nN+0.80ns（9.7）（M+2） %=0.006nc+0.2no+4.44ns（9.8）9.3.5亚稳离子离子由电离区抵达检测器需一定时间 （约为 105秒） ，因而根据离子的寿命可将离子分4为三种。 （1）寿命（约10秒）足以抵达检测器的离子为稳定离子（正常离子） 。这种离子由电离区生成， 经加速区

28、进分析器， 而后抵达检测器， 被放大、 记录， 获得质谱峰。（2）6在电离区形成，而立即裂解的离子为不稳定离子，寿命约110秒。仪器记录不到这种离子的质谱峰。 （3）寿命约在110106秒的离子，在进入分析器前的飞行途中，由于部分离子的内能高或相互碰撞等原因而发生裂解，这种离子称为亚稳离子（metastable ion） ，过程称为亚稳跃迁（或变化） 。裂解后形成的质谱峰为亚稳峰（metastable peak，m*） 。对于单聚焦仪器，假定质量为m1的母离子在进入磁场前发生亚稳变化，失去一个中性碎片，产生质量为 m2的离子 m2+（如图 9-13） 。2m1 m2+中性碎片+图9-13亚稳峰

29、（m*）、子离子峰（m2）及母离子峰（m1）的峰位示意图+离子的能量（速度）小于在电离室中产生的由于在离子飞行途中产生的 m2m2+。因此这种在飞行途中产生的离子将在质谱上小于它的质量的位置m*处出现，m*称为表观质量。亚稳峰的特点：峰弱，强度仅为 m1峰的 13%。峰钝，一般可跨 25 个质量单位。质荷比一般不是整数。表观质量 m*与母离子（parent ion）质量 m1及子离子（daughter ion;m2+）质量 m2有下述关系：m22m*=m19.9）用（9.9）式可以确定离子的亲缘关系，对于了解裂解规律，解析复杂质谱很有用。举例如下：M2%cncnc1anc2b21002!2a=

30、1、b=0.011。只有 nc较大时，13C 对 M+2 峰的贡献才呈现，故nc(nc1)nc，则nc2M 2%c10.0112100 0.006nc22。也有些书将 m*称为亚稳离子例如氨基茴香醚在 m/z 94.8 及 59.2 处，出现两个亚稳峰，可证明某些离子间的裂解关系（图 9-14） 。图9-14对氨基茴香醚的质谱（部分）根据（9.9）式计算：1082802 94.8 59.2123；108证明裂解过程为：m/z 12394.8*m10859.2*m80+.NH2+NH2+NH2CO.CH3OCH3O上述计算说明：有 m/z 94.8 及 59.2 亚稳峰存在，证明m/z 80 离

31、子是由分子离子经两步裂解生成。而不是一步裂解，因为不存在m/z 52.0 的亚稳峰。由母离子与表观质量用公式（9.9）计算，找寻质谱图上子离子的途径称为“母找子” ，反之，则称为“子找母” 。在质谱测定时，可有意识寻找亚稳峰。证明某些裂解过程。9.3.6多电荷离子具有一个以上正电荷的离子称为多电荷离子（ multiply charged ion） 。一般情况下，正离子只带一个正电荷。只有非常稳定的化合物， 如芳香族化合物或含有共轭双键的化合物， 被电子轰击后，才会失去一个以上下电子， 产生多电荷离子。通常双电荷离子还较常见。 如吡啶能失去两个电子形成双正电荷离子，m/z 39.5（M2+） 。

32、对于双电荷离子，如果质量数是奇数，它的质荷比是非整数，这样的两价离子在图谱中还易于识别；如果质量数是偶数，它的质荷比是整数，就较难以辨认，但它的同位素峰是非整数，可用来识别这种两价离子。总之，双电荷离子的质荷比较正常离子小一倍。9.3.7复合离子某些分子在离子源中与分子离子或碎片离子相撞生成复合离子（complex ion） ，或称双分子离子。它形成后，可能立即断裂成比单分子离子质量大的较重的离子， 而这种离子的出现是很有意义的。如果分子不稳定而质子化的分子离子（准分子离子） 有较高的稳定性，则此 M+H 峰对于分子的判断有很大帮助。+.+通式为： ABCD ABCD(M)+.(M )+(AB

33、CD)2.+.)(M2+BCD ABCDA.+当增加样品量或减小加速电压时（增加分子离子在离子源中停留时间）可增加分子离子碰撞的机会，含有杂原子（ O，N 或 S）的分子离子可出现M+1 峰，从而帮助鉴别分子离子峰。+CH3OH CH例：3OH+.(M)(M )+.(CH3OH)2+.质谱上看不到CH3OH2+ CH+2OH+(M H).9.4裂解过程9.4.1简单裂解断一个化学键的裂解反应为简单裂解。常见的化学键的断裂方式有均裂、异裂和半均裂三种。表示裂解过程和结果的符号是：鱼钩“”表示单个电子转移；箭头“”表两个电子转移；含奇数个电子的离子（odd electron，OE）用表示；含偶数个

34、电子的离子+.（even electron，EE）用EE+表示，正电荷符号一般标在杂原子或键上；电荷位置不清时，OE可用“”或“”表示。例如：+也可用 CH3OH 表示。+.+.+CH3OH.可用或表示。1裂解方式：（1）均裂（homolytic scission） ：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。通式：例：脂肪酮R1若 R1R2+.CO+R2CO R+1+(EE )R2+.(OE )（2）异裂或称非均裂（heterolytic scission） ：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。通式：XYYCR2+X Y X Y.或) YX: ( X+

35、X+ Y: ( Y或 )O.+-+例：或 XR1R1 R+2+C=O.3半均裂（hemi-homolysis scission） ：离子化键的断键过程，称半均裂。通式：X Y+.X Y+.+例：饱和烷烃失去一个电子后先形成离子化键，然后发生半键裂。分子中最易失去的电子是杂原子上的n 电子，依次为电子和电子。同是电子时，CC 上比 CH 是易失去。2简单裂解的裂解规律（1）在侧链化合物中，侧链愈多，愈易断裂。 侧链上大的取代基优先作为自由基失去，生成稳定的仲或叔碳离子。其稳定次序为：.+.CH3CH2CH2CH3 CH3CH2 CH+2CH3 CH3CH2 CH3CH2例：其分子中C4H9先离去

36、，生成稳定的仲碳离子。（2）具有侧链的环烷烃，侧链部位先断裂，生成带正电环状碎片。例：（3）含有双键、芳环和杂环的物质，容易发生 -键断裂生成的正离子与双键、芳环或杂环共轭而稳定。此类官能团与键位表示法是：CCCXCCCX 原子键式中 X=C6H5，CH2=CH，CCOOH（R）等。O例：烷基取代苯，-断裂，产生稳定的艹鎓离子。卓而含双键的化合物，-裂解后产生稳定的烯丙式正离子。（4）含杂原子的化合物如醇、醚、胺、硫醇、硫醚等可以发生由正电荷引发的 I 裂解（由电荷对电子的吸引力而引发） 。亦较易产生裂解生成艹鎓离子，还可发生裂解。卓注意：对含杂原子化合物键的定位不同参考书有不同的方法，我们选

37、用如下定键位的方法。CCCXH（R）CCCCXH（R） 原子键X=O，N，S 等。例如：（5）含羰基的化合物（醛、酮、酸等） ，易发生断裂。生成的碎片离子有，在酮中还有+R离子+ +RCH2, RCH2CO , OCOR, OR等。例：9.4.2重排裂解通过断两个或两个以上的键，结构重新排列的裂解过程为重排裂解。1Mclafferty 重排：当化合物中含有不饱和中心 C=X（X 为 O，N，S，C）基团，而且与这个基团相连的键具有氢原子时，此原子可以转移到 X 原子上，同时，键断裂，脱掉一个中性分子。该裂解过程是由Mclafferty在 1959 年首先发现的，因此称为麦氏重排。通式：式中 E

38、 为：O，C，N，S 等；D 为碳原子；A、B、C 可以均为碳原子，或其中一个是氧（或氮）原子，其余为碳原子。例：2-甲基戊烯-1HCH2CH2CH2+.CH2CCH2CH3m/z 44CH3CCH3+.+CH2CH2麦氏重排的重要条件是与 C=X 基团相连的基团上，要有三个以上的键，而且在键上要有氢，通过六元环过渡态发生重排。应当注意的是，麦氏重排受取代基的电效应和空间效应因素的影响。例如： 在间位有给电子基团的烷基苯中， 氢原子不能有效地向碳原子移动， 使重排难于进行。X 为给电子基团而在下例中，当 R=CH3时，由于甲基处在邻位，氢原子迁移受到位阻，重排亦难进行。+.R=H+.HH3+.

39、HR=CH3CH3+CH2CH2RH+CH2CH22双重氢重排裂解有两个氢转移而发生重排裂解反应，称双氢重排。这种重排所产+.EE+。若经过六元环生的离子比简单裂解所产生的离子大两个质量单位， 电子数由OE变为过渡的双氢重排称为“麦+1”重排。例：脂肪酸酯3逆 Diels-Alder 重排（RDA 重排） 在有机反应中，Diels-Alder 反应是将 1，3-丁二烯与乙烯缩合生成六元环烯化合物。在质谱中的RDA 反应是由六元环烯裂解为一个双烯和一个单烯。RDA 反应是以双键为起点的裂解反应。在带有双键的脂环化合物、生物碱、萜类、甾体和黄酮等的质谱上常可看到RDA 反应产生的离子峰。例：柠檬烯

40、+.RDA+m/z 68重排裂解除以上所列几类外，还有较多其它类型，如随机重排亲核性重排，脱去中性分子，复杂裂解等等，此处不再一一介绍。m/z 1369.5分子式的测定分子离子峰是测定分子量与分子式的重要依据，因而确认分子离子峰是首要问题。9.5.1分子离子峰的确认一般说来，质谱图上最右侧出现的质谱峰为分子离子峰。同位素峰虽比分子离子峰的质荷比大，但由于同位素峰与分子离子峰峰强比有一定关系， 因而不难辨认。但有些化合物的分子离子极不稳定，在质谱上将无分子离子峰， 在这种情况下，质谱上最右侧的质谱峰不是分子离子峰。因此，在识别分子离子峰时，需掌握下述几点：1分子离子稳定性的一般规律：具有键的芳香

41、族化合物和共轭链烯，分子离子很稳定，分子离子峰强；脂环化合物的分子离子峰也较强； 含羟基或具有多分支的脂肪族化合物的分子离子不稳定，分子离子峰小或有时不出现。 分子离子峰的稳定性有如下顺序： 芳香族OE.+化合物共轭链烯脂环化合物直链烷烃硫醇酮胺脂醚酸分支烷烃醇。当分子离子峰为基峰时，该化合物一般都是芳香族化合物。2分子离子含奇数个电子（） 。含偶数个电子的离子（EE+）不是分子离子。3分子离子的质量数服从氮律。只含 C、H、O 的化合物，分子离子峰的质量数是偶数。由C、H、O、N 组成的化合物，含奇数个氮，分子离子峰的质量是奇数；含偶数个氮，分子离子峰的质量是偶数。这一规律为氮律，凡不符合氮

42、律者，就不是分子离子峰。例：某未知物元素分析只含C、H、O，质谱（图9-15）上最右侧的质谱峰的m/z 为 59，不服从氮律，可以肯定此峰不是分子离子峰。该图是 2-甲基丙醇的质谱。m/z 59 为脱甲基峰（m-15） ， （CH3）2C=+OH。图9-152-甲基丙醇-2的质谱4所假定的分子离子峰与相邻的质谱峰间的质量数差是否有意义。如果在该峰小 314 个质量数间出现峰，则该峰不是分子离子峰。因为一个分子离子直接失去一个亚甲基（CH2，m/z 14）一般不可能的。同时失去35 个氢，需要很高的能量，也不可能。5M-1 峰有些化合物的质谱图上质荷比最大的峰是M-1 峰，而无分子离子峰。例：正

43、庚腈的分子量为111。而在它的质谱上只能看到m/z 110的质谱峰（M-1） ，而无分子离子峰。这是因为分子离子不稳定，而M-H 离子（CH3（CH2）4CH=C+N）比较稳定的缘故。M-1 峰不符合氮律，容易区别。腈类化合物易出现这种情况，但有时也有分子离子峰，强度小于 M-1 峰。9.5.2分子量测定一般说来，分子离子峰的质荷比即分子量。严格说有差别。例如，辛酮 -4（C8H16O）精密质荷 比为 128.1202，分子量为 128.2161。这是因为质荷比是由丰度最大同位素的质量计算而得；分子量是由原子量计算而得， 而原子量是同位素质量的加权平均值。 在分子量很大时，二者可差一个质量单位

44、。例如三油酸甘油酯，低分辨仪器测得的m/E 为 884，而分子量实际为 885.44。这些例子只是说明 m/E 比与分子量的概念不同而已，在绝大多数情况 m/z与分子量的整数部分相等。若需将精密质荷比换算成精密分子量，可参考表9-2。9.5.3分子式的确定常用同位素峰强比法及精密质量法1同位素峰强比法分为计算法及查表法。（1）计算法只含 C、H、O 的未知物用式（9.5）及式（ 9.6）计算碳原子及氧原子数。例如：某有机未知物，由质谱给出的同位素峰强比如下，求分子式。m/z相对峰强（%）150（M）100151（M+1）9.9152（M+2）0.9解：1） （M+2）%为 0.9，说明未知物不

45、含 S、Cl、Br。2）M 为偶数，说明不含 N 或偶数个 N。3）先以不含 N，只含 C、H、O 计算分子式，若结果不合理再修正。含碳数：ncM 1%9.991.11.10.9 0.00692no 2.10.200.20含氧数：含氢数：nH=M（12nc+ 16no） = 150（12 9 +16 2）=10可能分子式为 C9H10O2。它的验证可通过质谱解析或其它方法。 表9-2原子量与同位素质量对比,元素氢碳氮原子量1.0079712.0111514.0067同位素*1H2H12C13C14N15N16O2M 2% 0.006nc质量1.0078252.0141012.0000013.0

46、033614.0030715.0001115.9949116.999117.999218.9984027.9769328.9764929.9737630.9737631.9720732.9714633.9678634.9688536.965978.918380.9163丰度（%）99.9850.01598.891.1199.640.3699.760.040.2010092.234.673.1010095.020.764.2275.7724.2350.6949.31100氧氟硅磷硫15.999418.998428.08630.97432.06417O18O19F28Si29Si30Si31P32

47、S33S34S氯溴35.45379.90935Cl37Cl79Br81Br127I碘126.904126.9044*或称核素（nuclide） CRC Handbook of Chemistry and Physics 63th ed. 19821983，B256289 Parikh V M: Absorption Spectroscopy of Organic Molecules. 1974，152（2）Beynon 表法Beynon 根据同位素峰强比与离子元素组成间的关系， 编制了按离子质量数为序， 含 C、H、O、N 的分子离子及碎片离子的（M+1）%及（M+2）%数据表，称为 Beyn

48、on 表。质量数一般由 12250。使用时，只需将质谱所得的 M 峰的质量数、 （M+1）%及（M+2）%数据，查 Beynon表即可得出分子式或碎片离子的元素组成。2精密质量法用高分辨质谱计，精确测定分子离子质量（质荷比） ，利用表计算或查精密质量表求分子式。例：用高分辨质谱计测得某有机物+的精密质量为 166.06299，试确定分子式。M.查精密质量表。表 9-3 只列出 M=166 大组 34 个离子中的 14 个。质量接受 166.06299的有三个， 其中C7H8N3O2不服从N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C9H10

49、O3（166.062994） 。表9-3m/z 166精密质量表166.004478166.012031166.023264166.026946166.038864166.046074166.057650C11H2O2C7H4NO4C6H4N3O3C9H2N4C12H6OC6H6H4O2C7H8N3O2166.062994166.074228166.078252166.093357166.097038166.108614166.120190C9H10O3C8H10N2O2C13H10C5H14N2O4C8H12N3OC9H14N2OC10H16NO9.6几类有机化合物的质谱9.6.1烃类1饱和

50、烷烃（1）分子离子峰较弱，随碳链增长，强度降低以至消失。（2）直链烃具有一系列 m/z 相差 14 的 CnH2n+1碎片离子峰（m/z=29、43、57、71、） 。基峰为 C3H7+（m/z 43）或 C4H9+（m/z 57）离子。（3） 在 CnH2n+1峰的两侧， 伴随着质量数大一个质量单位的同位素峰及质量小一或两个单位的 CnH2n或 CnH2n1等小峰，组成各峰群。M-15 峰一般不出现。（4）支链烷烃在分支处优先裂解，形成稳定的仲碳或叔碳阳离子。分子离子峰比相同碳数的直链烷烃小。其它特征与直链烷烃类似。图9-16正壬烷的质谱2链烯（1）分子离子较稳定，丰度较大。（2）有一系列C