第六章 质谱图分析.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第六章 质谱图分析,分子离子峰,M,+,的判别：,1,）最大质量数的峰可能是分子离子峰。当最大质量端存在同位素峰簇时，应按有关原则寻找。,6.1 确定分子量和元素组成式,6.1.1 由,EI,谱确定分子量,(,重要）,在,EI,谱中，分子离子峰在数值上等于分子量。,2,）和低质量离子的关系：,(1),合理的中性碎片（小分子或自由基）的丢失。,M-3到,M-13,、,M-20,到,M-25,之内不可能有峰。,(2),分子离子应具有最完全的元素组成。,(3),多电荷离子按电荷修正后所得到的质量数应小于或等于分子离子质量数。,3,）应用氮规则,当化合物不含氮或含偶数个氮时，其分子量为偶数；,当化合物含奇数个氮时，其分子量为奇数。,4,）分子离子峰的强度和化合物的结构类型密切相关。,(1),芳香化合物,共轭多烯,脂环化合物,短直链烷烃,某些含硫化合物,。通常给出较强的分子离子峰。,(2),直链的酮、酯、醛、酰胺、醚、卤化物等通常显示分子离子峰。,(3),脂肪族且分子量较大的醇、胺、亚硝酸酯、硝酸酯等化合物及高分支链的化合物通常没有分子离子峰。,5,）,M,+,峰和,M+H,+,峰或峰,M-H,+,的判别。,醚、酯、胺、酰胺、氰化物、氨基酸酯、胺醇等可能有较强的,M+H,+,峰，芳醛、某些醇或某些氮化物可能有较强的,M-H,+,峰。,判别分子离子峰时的困难：,(1),样品不气化，或气化分解，或在电离时无完整分子结构，因而无分子离子峰。,(2),样品中的杂质在高质量端出峰，特别是当杂质易挥发或其分子离子稳定时，干扰很大。,(3),分子离子峰存在于同位素峰簇之中。,(4),往往同时存在,M+H,+,或,M-H,+,，如何从中辨别出,M,+,。,当EI,谱中未出现分子离子峰时：,(1),降低电子能量（通常为,70eV,）。,(2),样品化合物衍生化。,(3),采用软电离技术。,Mass spectrum of ethyl acetate as a function of electron energy,6,.1.2 由,ESI,谱多电荷离子峰簇求分子量,对于高分子量的化合物，它们通过,ESI,，得到多电荷离子形成的峰簇。,当,ESI时，样品分子（分子量为,M,）会与,n,个带电质点（当低,pH,值时，为,H,+,，其质量为,X=1,）相结合，在,ESI,谱上，离子的“表观”质荷比为：,任取相邻二峰，有,n,2,=n,1,+1 (,左边的峰对应,n,2,），则：,可求得,：,ESI mass spectrum of a protein,cytochrome,c,(molecular weight approximately 12360Da),examined(a)at low resolution and(b)at high resolution over a narrow range.,6,.1.3 解析软电离的,谱图得到分子量,正离子谱稍复杂，解析时注意以下几点：,1）正离子谱较易产生,M+H,+,。,2,）当,M+,H,+,，,M-,H,+,不能判断时，根据软电离条件，常可找出分子量。（如,CI,，甲烷为反应气体时，往往生成,M+,C,2,H,5,+,，,M+,C,3,H,5,+,）,3,）对于较高分子量的样品，可能同时生成,M+H,+,，,M+2H,2+,，,M+3H,3+,等。,6,.1.4 由高分辨质谱数据确定,分子式,6,.1.5 峰匹配法（peak matching）,Some CI Reagent Gases and Reagent Ions,Reagent Gas Reagent Ion Analyte,Ion,H,2,H,3,+,(M+H),+,CH,4,CH,5,+,C,2,H,5,+,(M+H),+,(M+C,2,H,5,),+,C,3,H,5,+,(M+C,3,H,5,),+,i-C,4,H,10,C,4,H,9,+,(M+H),+,(M+C,4,H,9,),+,NH,3,NH,4,+,(M+H),+,(M+NH,4,),+,NH,3,/CH,4,NH,4,+,(M+H),+,CH,3,ONO/CH,4,CH,3,O,-,(M-H),-,NF,3,F,-,(M-H),-,(M+C,4,H,9,),+,CI(with isobutane,as the reagent gas)and EI mass spectra of C,6,H,5,CH,2,CH,2,CH,2,CH,2,CH,3,6,.1.6 用低分辨质谱数据推测,未知物元素组成,1）利用元素分析数据求元素组成,。,2,）利用碳谱、氢谱数据。,3,）利用同位素峰簇,有机化合物中的常见元素通常不只含一种同位素，因此分子离子峰或碎片离子一般都以同位素峰簇的形式存在。,设某一元素有两种同位素，在某化合物中含有m个该元素的原子，则分子离子同位素峰簇各峰的相对强度为,：,式中 a为轻同位素的相对丰度；,b为重同位素的相对丰度。,若化合物含有 i 种元素，它们都具有非单一的同位素组成，则总的同位素峰簇各峰之间的强度可用下式表示：,多卤化合物的同位素峰簇可用上式描述。,多卤化合物的分子离子峰可能不是峰簇中的最强峰。,除溴化物和多氯化合物及特殊情况（所含碳原子数超过100）之外，同位素峰簇中的最强峰为分子离子峰。,observed,simulated,从低分辨质谱数据（同位素峰簇各峰的强度比）推测元素组成：,从,M+1峰与M峰强度的比值估算分子中含碳的数目,。,式中,I(M+1)和I(M),分别表示,M+1峰和M峰的相对强度,。,由,C,、,H,、,N,、,O,、,S,元素组成的化合物,C,x,H,y,N,z,O,w,S,s,，其同位素峰簇各峰的相对强度可近似表示为：,注意事项：,1）当,M,峰强度低，而,M-15,峰强度不低时，表明分子易失去甲基。此时可用,M-14,峰和,M-15,峰的强度来计算，其结果加,1,即是分子中的含碳数。,2,）当分子含,Cl,、,Br,等杂原子,，而,M-1峰又较强时，要考虑M-1峰因,Cl,、,Br,等在,M+1,峰中的贡献，应予以扣除。,3,）由,M+2,峰与,M,峰强度的比值可估算,S,、Cl,、Br,的数目。,4,）若测试时为除噪音信号扣去某一阈值，则峰强度失真，不能用上述公式计算。,5,）由于杂质或其它因素的影响，,M+1或M+2,峰的强度会比预期值略高。,其它元素的存在或数目的推测：,1）氟的存在可从分子离子失去20，50,u,（分别对应失去,HF,，,CF,2,）而证实。,2,）碘的存在可从分子离子失去,M-127,得到证实。另外，化合物含碘将有一个较低的,I(M+1)/I(M),值。,3,）若存在,m/z,31,，,45,，,59,，,的离子，说明有醇、醚形式的氧存在。从分子量与已知元素组成质量的较大差额也可估计氧原子的存在个数,。,4,）,从分子量与上述元素组成的质量差额可推测氢原子数目,。,6.2,有机质谱中的反应及其机理,6.2.1 概述,1）,离子正电荷位置的表示,CH,3,CH,2,CH,2,OH,；,+,R,+,2）,电子转移的表示,：,一个电子的转移；,：,一对电子的转移。,(1)均匀断裂（匀裂：,homolytic,cleavage,）：,(2)非均匀断裂（异裂：,heterolytic,cleavage,）：,(3)半非均匀断裂（半异裂：,hemiheterolytic,cleavage,）：,3）有机质谱主要涉及单分子反应,（重要）,除少数特殊情况（如化学电离、碰撞活化等）之外，有机质谱的主要反映为单分子反应。,4）初级碎裂与次级碎裂,分子被电离的同时，具有过剩的能量，分子离子会自行碎裂，这就是初级碎裂。碎裂可粗分为简单断裂和重排。由简单断裂和重排产生的离子（统称为广义的碎片离子）可进一步碎裂（再次断裂、重排），这就是次级碎裂。,6,.2.2 简单断裂,发生简单断裂时仅一根化学键断开。,简单断裂反应的产物系分子中原已存在的结构单元。,分子离子是奇电子离子，它经简单断裂产生一个自由基和一个正离子，该正离子为偶电子离子。,当化合物含一个氮原子时，分子离子为奇质量数，分子离子经简单断裂所产生的自由基和偶电子离子之中，含氮原子的具有偶质量数，不含氮原子的，仍为奇质量数。,1）简单断裂的引发机制,(1),自由基引发（,断裂）,反应的动力来自自由基强烈的电子配对倾向。,例 含饱和杂原子的化合物：,含不饱和杂原子的化合物：,含碳-碳不饱和键的化合物：,+,(2),电荷引发（诱导效应，,i,断裂）,进行,i,断裂时，一对电子发生转移。,i,断裂和,断裂是相互竞争的反应。一般讲，,i,断裂的重要性小于,断裂。,断裂的大致顺序：,N S,、,O,、,、,R Cl,Br I,i,断裂的大致顺序：卤素,S,、,O N,、,C,(3),当化合物不含,O,、,N,等杂原子，也没有,键时，只能发生,断裂：,+,当化合物含有第三周期以后的杂原子如,Si,、,P,、,S,等，,C-Y,键的电离已可以和,Y,上未成键电子对的电离竞争时，,C-Y,键之间也可以发生,断裂。,2）简单断裂的规律,(1),含杂原子的化合物存在三种断裂方式,邻接杂原子的,C-C,键（,-C,上的另一根键）发生断裂,（,断裂）,。质谱中很常见。正电荷一般在含杂原子的一侧。杂原子两侧的烷基都可发生,断裂时，大的烷基优先脱去。,杂原子和碳原子之间的单键断开，正电荷在烷基一侧,（,i,断裂）,。,杂原子和碳原子之间的单键断开，正电荷在杂原子一侧,（类似,断裂）,。这种断裂方式较为少见。,规律：,杂原子和碳原子以双键相连，只能进行,。饱和杂原子则有不同倾向：,a)当,X为周期表上方偏左（如,N,、,O,）发生,的可能性大；,当,X为周期表右下方，则,发生,的可能性大。,b),杂原子连接氢原子时，,发生,的可能性大；,杂原子连接烷基时，,发生,、,的可能性大。,c),烷基,R,所对应的离子,R,+,稳定性高时，易发生,，反之则易发生,。,-,NH,2,-NHR:,-NR,1,R,2,:,-OH:,-OR:,-SR:,（,的几率更大些）,RI,RBr,:,(2),邻接碳、碳不饱和键的,C-C,键易断裂,（,断裂）,。,共振的结构式越多，离子的稳定性越高。,(3),邻接苯环、杂芳环的,C-C,键易断裂,（,同,(2),）,。,(4),碳链分枝处易发生断裂，某处分枝愈多，该处愈易断裂。,(5),饱和环易于在环与侧链连接处断裂,（,同,(4),）,。,(6),当在某分枝处有几种断裂的可能时，逐出大的基团是有利的，进行该反应的可能性也就较大。,6,.2.3 重排（,rearrangement),1）重排的特点,重排同时涉及至少两根键的变化，在重排中既有键的断裂也有键的生成。重排产生了在原化合物中不存在的结构单元的离子。,最常见的是脱离中性小分子的重排反应。脱离中性小分子所产生的重排离子是奇电子离子。,脱离掉的中性小分子及所产生的重排离子均符合氮规则。从离子的质量数的奇、偶性可区分经简单断裂所产生的碎片离子和脱离中性小分子所产生的重排离子。,2）,McLafferty,重排,麦式,重排可产生两种重排离子，其通式为：,说明：D=E代表一个双键（或叁键）基团；,C可以是碳原子也可以是杂原子；,H,是相对于,不饱和键,位置碳原子A上的氢原子。,只要满足条件（不饱和基团及其,氢的存在），发生麦式重排的几率较大。重排离子如仍满足条件，可再次发生该重排。麦式重排有生成两种离子的可能性，但含,键的一侧带正电荷的可能性大些。,3）逆Diels-Alder反应（,Retro-Diels-Alder,RDA,）,当分子中存在含一根,键的六员环时，可发生RAD反应。这种重排反应为：,说明：该重排正好是Diels-Alder反应的逆反应；,含原双键的部分带正电荷的可能性大些,；,当存在别的较易引发质谱反应的官能团时，,RDA,反应则可能不明显。,4）某些含杂原子的化合物，失去中性分子（消去反应）,常见的有醇失水或醇失水及乙烯：,苯环的“邻位效应”：,5）四员环重排,含饱和杂原子的化合物，当与杂原子相连的烷基长于两个碳时，在杂原子与碳链断裂的同时，氢原子经四员环转移和杂原子结合，失去乙烯（或取代乙烯），生成含杂原子的碎片离子。,这种重排虽然发生于含杂原子的分子离子中，但概率不大。它主要发生于含杂原子的碎片离子。含杂原子的化合物经简单断裂生成的含杂原子的碎片离子，是偶电子离子，不能再失去自由基，只能丢失中性小分子，四员环重排就是一个重要途径。,6）自由基引发或正电荷诱导，经过五、六员环过渡态氢的重排,7）两个氢原子的重排,这种重排在乙酯以上的羧酸酯较易找到。在碳酸酯、磷酸酯、酰胺、酰亚胺及其它含不饱和键的化合物都可能发生。该重排产生的离子比相应的简单断裂产生的离子质量数大 2。,8）其它重排（非氢重排，无规重排）,链状氯化物、溴化物较易发生成环的重排：,X:Cl,Br,SH,NH,2,Some Common Losses From Molecular Ions,Ion Possibly lost groups Possible inference,M-15 CH,3,M-16 O Ar-NO,2,N,+,-O,-,Sulphoxide,M-16 NH,2,ArSO,2,NH,2,-CONH,2,M-17 OH,M-17 NH,3,M-18 H,2,O Alcohol,Aldehyde,Ketone,etc,M-19 F Fluorides,M-20 HF Fluorides,M-26 C,2,H,2,Aromatic hydrocarbon,M-27 HCN Aromatic nitriles,Nitrogen heterocycles,M-28 CO Quinones,M-28 C,2,H,4,Aromatic ethyl ethers,Ethyl esters,n-Propyl ketones,M-29 CHO,M-29 C,2,H,5,Ethyl ketones,Ar-n-C,3,H,7,M-30 C,2,H,6,M-30 CH,2,O Aromatic methyl ether,M-30 NO ArNO,2,M-31 OCH,3,Methyl ester,M-32 CH,3,OH Methyl ester,M-32 S,M-33 H,2,O+CH,3,Some Common Losses From Molecular Ions(continued),Ion Possibly lost Groups Possible inference,M-33 HS Thiols,M-34 H,2,S Thiols,M-41 C,3,H,5,Propyl,ester,M-42 CH,2,CO Methyl ketone,Aromatic acetate,ArNHCOCH,3,M-42 C,3,H,6,Butyl ketone,Aromatic propyl,ether,Ar-n-C,4,H,9,M-43 C,3,H,7,Propyl ketone,Ar-n-C,3,H,7,M-43 CH,3,CO Methyl ketone,M-44 CO,2,Ester,Anhydride,M-44 C,3,H,8,M-45 CO,2,H Carboxylic acid,M-45 OC,2,H,5,Ethyl ester,M-46 C,2,H,5,OH Ethyl ester,M-46 NO,2,Ar,-NO,2,M-48 SO Aromatic sulphoxide,M-55 C,4,H,7,Butyl ester,M-56 C,4,H,8,Pentyl ketone,Ar-C,5,H,11,ArO-C,4,H,9,M-57 C,4,H,9,Butyl ketone,M-57 C,2,H,5,CO Ethyl ketone,M-58 C,4,H,10,M-60 CH,3,COOH Acetate,6,.2.4 脂环化合物的复杂断裂,脂环化合物需经两次开裂才能掉下碎片。一般在断裂前还经历氢原子的转移。从空间因素考虑，氢原子的转移易发生在,位或其附近。,6,.2.5 初级碎片离子的后续分解,偶电子规则：,离子进一步分解与离子的电子配对情况有关。一般讲，偶电子离子的稳定性较高，反应性较低；奇电子离子则稳定性较差，具有较高的反应活性。奇电子离子可以逐出一个自由基或中性分子相应产生偶电子离子或奇电子离子；偶电子离子则只能逐出中性分子生成偶电子离子，而逐出自由基生成奇电子离子一般是不可行的。,6.3,常见官能团的质谱裂解模式,6,.3.1 烷烃,1）,直链烷烃的质谱特点,直链烷烃显示弱的分子离子峰。,直链烷烃的质谱由一系列峰簇（,C,n,H,2n-1,C,n,H,2n,C,n,H,2n+1,）组成，峰簇之间差,14,个质量单位。峰簇中,C,n,H,2n+1,为最高峰。,各峰簇的顶端形成一平滑曲线，最高点在,C,3,或,C,4,。,比,分子离子,峰质量数低的下一个峰簇顶点是,M-29,，而有甲基分枝的烷烃将有,M-15,。,2）,分枝烷烃的质谱特点,分枝烷烃的分子离子峰较直链烷烃降低。,各峰簇顶点不再形成一平滑曲线。因在分枝处易断裂，其离子强度增强。,在分枝处的断裂，伴随有失去单个氢的倾向，产生较强的,C,n,H,2n,离子，有时可强于相应的,C,n,H,2n+1,离子。,3）,环烷烃的质谱特点,由于环的存在，分子离子峰的强度相对增加。,通常在环的支链处断开，给出,C,n,H,2n-1,峰，也常伴随氢原子的失去，有较强的,C,n,H,2n-2,峰。,环的碎化特征是失去,C,2,H,4,（也可能失去,C,2,H,5,）。,6,.3.2 不饱和脂肪烃,1）,链状不饱和脂肪烃的质谱特点,双键的引入，可增加分子离子峰的强度。,仍形成间隔,14,质量单位的一系列峰簇，但峰簇内最高峰为,C,n,H,2n-1,。,当相对双键,-C原子上有氢时，可发生,McLafferty,重排,。,顺式、反式的质谱很类似,。,2）,环状不饱和脂肪烃的质谱特点,当符合条件时,环状不饱和脂肪烃可发生,RDA,反应,。,环状不饱和脂肪烃,支链的质谱碎裂反应类似于链烃的断裂方式。,6,.3.3 含饱和杂原子的脂肪族化合物,杂原子与相邻碳原子以,键相连的化合物的分子离子峰都较低，甚至不出现。烃基部分有相应的碎片。,1）,简单断裂,-,断裂 胺类：,30+14n,醇类、醚类：,31+14n,硫醇、硫醚：,47+14n,i-断裂,-,断裂,2）,重排,脱离小分子的重排,醇失水、乙烯,（四员环重排）硫醇失,H,2,S,、乙烯,卤化物失,HX,非氢重排,进而产生一系列烯的离子,6,.3.4 含不饱和杂原子的脂肪族化合物,这些化合物一般都可见分子离子峰。,-,断裂,离杂原子较远处的,C-C,键的断裂。,MaLafferty重排,脱离小分子的重排,两个氢原子的重排,6,.3.5 烷基苯,分子离子峰较强,简单断裂生成苄基离子,当苯环连接,CH,2,时，,m/e 91,的峰一般都较强。,MaLafferty,重排,当相对苯环存在 氢时，,m/e 92,的峰有相当强度。,苯环碎片离子依此失去,C,2,H,2,化合物含苯环时，一般可见,m/e 39,、,51,、,65,、,77,等峰。,6,.3.6 杂原子取代的芳香族化合物,1,）杂原子取代基在侧链上,杂原子取代基不直接连苯环，可按脂肪族化合物的规则进行讨论。质谱为取代侧链和烷基苯所产生离子的加和。,2,）杂原子直接连在苯环上,最经常发生的质谱反应是脱掉小分子，多为重排反应。,3,）多取代,当两个基团处于邻位时，常有邻位效应。当两个基团处于间、对位时，可按单取代考虑。,6.4,质谱图的解析,质谱图解析的方法和步骤,1）,分子离子峰的确定,2,）分子式的确定,3,）质谱图的总体判断,芳环的判断（,m/e 39,、,51,、,65,、,77,）,脂肪基团的系列峰,4,）研究重要离子,高质量端的离子,重排离子,亚稳离子,重要的特征性离子（强峰）,5,）推测结构单元和分子结构,6,）对质谱的核对、指认,m/z 212.0837(M),C,14,H,12,O,2,118,89,76,61,47,43,