质谱原理与应用.ppt

Click to edit the title text format,Click to edit the outline text format,Second Outline Level,Third Outline Level,Fourth Outline Level,Fifth Outline Level,Sixth Outline Level,Seventh Outline Level,Eighth Outline Level,Ninth Outline Level,|Page,*,有机质谱原理、解析与应用,有机质谱结构解析,有机质谱裂解原理,质谱仪器与工作原理,质谱分析概述,主 要 内 容,1.1,方法概述,质谱分析法,就是通过对被测样品离子的质荷比的测定来获得物质分子量的一种分析方法。,而把化合物分子用一定方式裂解后生成的各种离子，按其质量大小排列而成的图谱称为,质谱,。,第一部分 质谱分析概述,质谱,就是把化合物分子用一定方式裂解后生成的各种离子，按其质量大小排列而成的图谱。,第一部分 质谱分析概述,1.2,发展历史,1912年,Thomson,研制第世界上一台质谱仪,1919,年,Aston,精密仪器，测定,50,多种同位素,1940年,应用于石油、化工等领域,1946年,飞行时间质谱,(Time-of flight mass analysis),1953,年,四极杆分析器,(,Quadrupole,analyzers),1956,年,气相色谱,-,质谱联用,(GC/MS),高分辨质谱仪,(High-resolution MS),第一部分 质谱分析概述,1966,年,化学电离,(Chemical ionization),1967,年,串联质谱,(Tandem mass spectrometry),1973,年,液相色谱,-,质谱联用,(LC/MS),，热喷雾方法,1974,年,傅立叶变换离子回旋共振质谱,(FT-ICR-MS),1981,年,快原子轰击电离质谱,(FAB MS),，,1.2,发展历史,第一部分 质谱分析概述,质谱：称量离子质量的特殊天平。第二部分 质谱仪器与工作原理,2.1,质谱基本原理,质谱分析法,就是通过测定被测样品离子的质荷比来获得物质分子量的一种分析方法。,第二部分 质谱仪器与工作原理,质谱分析法主要是通过对样品离子质荷比的分析而实现对样品进行定性和定量的一种方法,电离装置把样品电离为离子,质量分析装置把不同质荷比的离子分开,经检测器检测之后可以得到样品的质谱图,第二部分 质谱仪器与工作原理,质 谱,同位素质谱,生物质谱,结构鉴定、定量分析,化学、化工,环境、地球,药学、毒物学、刑侦,生命、医学、农业科学,有机质谱,无机质谱,2.2,质谱分类,第二部分 质谱仪器与工作原理,2.3,质谱仪组成,进样系统,离子源,质量分析器,检测器,1.,气体扩散,2.,直接进样,3.,气相色谱,1.,电子轰击,2.,化学电离,3.,场致电离,4.,激光,1.,单聚焦,2.,双聚焦,3.,飞行时间,4.,四极杆,显示,真空系统,离子源和质量分析器的压力在,10,4,10,6,Pa,大量氧会烧坏离子源的灯丝；,用作加速离子的几千伏高压会引起放电；,引起额外的离子分子反应，改变裂解模型，谱图复杂化。,为了获得离子的良好分离和分析效果，避免离子损失，凡有样品分子及离子存在和通过的地方，必须处于真空状态。,2.3.1,真空系统,第二部分 质谱仪器与工作原理,2.3.2,进样系统,（,Sample Introduction,）,要求：大气压下的样品在不破坏真空度的情况下，使样品进入离子源,方式：,直接进样,色谱进样（气相色谱及液相色谱）,第二部分 质谱仪器与工作原理,2.3.3,离子源（,Ion Source,）,功能：,将进样系统引入的气态样品分子转化成离子；,硬电离,软电离,第二部分 质谱仪器与工作原理,电子电离,Electron Ionization,EI,化学离子,Chemical Ionization,CI,场电离，场解吸,Field Ionization FD,Field Desorption FD,快原子轰击,Fast Atom Bombardment,FAB,基质辅助激光解析电离,Matrix-Assisted Laser Desorption Ionization,MALDI,电喷雾电离,Electrospray,Ionization,ESI,大气压化学电离,Atmospheric Pressure Chemical Ionization,APCI,2.3.3,离子源（,Ion Source,）,第二部分 质谱仪器与工作原理,1,电子电离源,(Electron Ionization EI),第二部分 质谱仪器与工作原理,M+e,M,+,+2e,M,molecule,e,M,+,e,molecular ion,a radical,cation,electron,Fragments,1,电子电离源,(Electron Ionization EI),第二部分 质谱仪器与工作原理,M,+,(,M,-,R,2,),+,(,M,-,R,3,),+,Mass Spectrometer,(,M,-,R,1,),+,1,电子电离源,(Electron Ionization EI),第二部分 质谱仪器与工作原理,1,电子电离源,(Electron Ionization EI),电子能量,电子能量,分子离子增加,碎片离子增加,对于易电离的物质降低电子能量，而对于难电离的物质则加大电子能量。,第二部分 质谱仪器与工作原理,是应用最普遍，发展最成熟的电离方法。,标准质谱图基本都是采用,EI,源得到的。,常用轰击电压,50,70eV,有机分子的电离电位一般为,7,15eV,。,可提供丰富的结构信息。,有些化合物的分子离子不出现或很弱。,1,电子电离源,(Electron Ionization EI),第二部分 质谱仪器与工作原理,高能电子束（,100240eV,）轰击离子室内的反应气（甲烷等；,10100Pa,，,样品的,10,3,10,5,倍），产生初级离子，再与试样分子碰撞，产生准分子离子。,2,化学电离源,(Chemical Ionization CI),CH,4,+e CH,4,+,+2e(,46%,),CH,3,+,(,39%,),CH,2,+,(,7%,),第二部分 质谱仪器与工作原理,初级离子,:,CH,4,+,CH,3,+,CH,2,+,CH,4,+,+CH,4,CH,5,+,+CH,3,(,48%,),CH,3,+,+CH,4,C,2,H,5,+,+H,2,(,41%,),CH,2,+,+2CH,4,C,3,H,5,+,+2H,2,(,6%,),CH,5,+,C,2,H,5,+,C,3,H,5,+,等为稳定的次级离子。,第二部分 质谱仪器与工作原理,2,化学电离源,(Chemical Ionization CI),准分子离子,QM,+,M,+CH,5,+,MH,+,+CH,4,M +C,2,H,5,+,MH,+,+C,2,H,4,M +C,2,H,5,+,M,H,+C,2,H,6,第二部分 质谱仪器与工作原理,最强峰为准分子离子,;,谱图简单,;,不适用难挥发试样,+,+,气体分子,试样分子,+,准分子离子,电子,M+H,M,H,M+17,M+29,2,化学电离源,(Chemical Ionization CI),第二部分 质谱仪器与工作原理,电压：,10,7,-10,8,V/cm,；,强电场将分子中拉出一个电子；,分子离子峰强；,碎片离子峰少；,不适合化合物结构鉴定；,阳极,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,阴极,d,SO,3.6,有机质谱裂解反应,3.6.2,电荷引发（诱导效应，,i,断裂）一对电子发生转移,3.6,有机质谱裂解反应,电荷位置引发,3.6,有机质谱裂解反应,自由基位置引发,含杂原子化合物易发生,断裂,碳碳不饱和键相邻的,C,C,键易断裂。,芳环相邻的,C,C,键易断裂。（芳杂环的情况也类似）,碳链分支处易发生断裂。,饱和环易在环与侧链连接处断开,当分支处由几种断裂可能时，大基团断裂优先,产生电中性小分子的开裂优先,3.6.3,有机化合物的一般裂解规律,3.6.3,有机化合物的一般裂解规律,1.,偶电子规律,2.,烃类化合物的裂解,3.,含杂原子化合物的裂解,(,羰基化合物除外,),3.6.3,有机化合物的一般裂解规律,4.,羰基化合物的裂解,3.6.3,有机化合物的一般裂解规律,5.,逆,Diels-Alder,反应,(retro-Diels-Alder,，,RDA),3.6.3,有机化合物的一般裂解规律,3.6.3,有机化合物的一般裂解规律,6.,氢的重排反应,(rearrangement reaction),(1),McLafferty,重排,(,氢重排，经过六元环过渡态,),3.6.3,有机化合物的一般裂解规律,(2),自由基引发或正电荷诱导，经过四、五、六元环过渡态氢的重排。,例如：,3.6.3,有机化合物的一般裂解规律,(3),长链酯基的双氢重排,3.6.3,有机化合物的一般裂解规律,(4),偶电子离子氢的重排,3.6.3,有机化合物的一般裂解规律,(5),芳环的邻位效应,3.63,有机化合物的一般裂解规律,7.,环化取代重排,(,cyclization,displacement rearrangement),3.6.3,有机化合物的一般裂解规律,8.,消去重排,(elimination rearrangement),烷基迁移：,3.6.3,有机化合物的一般裂解规律,苯基迁移：,3.6.3,有机化合物的一般裂解规律,烷氧基迁移：,3.6.3,有机化合物的一般裂解规律,氨基迁移：,3.6.3,有机化合物的一般裂解规律,3.7.1,烃类化合物的质谱,1.,烷烃,直链烷烃：,分子离子峰可见。,3.7,各类有机化合物的质谱,图,5.10,正十二烷的质谱,3.7,各类有机化合物的质谱,支链烷烃：,分子离子峰较弱,支链处优先断裂，优先失去大基团，正电荷带在多支链的碳上，支链处峰强度增大。,含有侧链甲基，出现,M-15,峰,3.7,各类有机化合物的质谱,环烷烃,：,分子离子峰较强。,3.7,各类有机化合物的质谱,分子离子峰可见,m/z,41,是基峰,出现系列,C,n,H,2n-1,，,C,n,H,2n,，,C,n,H,2n+1,峰群，相邻的对应峰,m=14,2.,烯 烃,3.7,各类有机化合物的质谱,图,5.12(a)1-,十二碳烯的质谱,3.7,各类有机化合物的质谱,环己烯及其衍生物：,3.7,各类有机化合物的质谱,3.,芳烃：,分子离子峰强,烷基取代苯：,苄基离子是基峰,3.7,各类有机化合物的质谱,图,5.12(b),正己基苯的质谱,3.7,各类有机化合物的质谱,3.7.2,醇、酚、醚,1.,醇,3.7,各类有机化合物的质谱,图,5.13,正戊醇,(a),及,2-,戊醇,(b),的质谱,3.7,各类有机化合物的质谱,环己醇,3.7,各类有机化合物的质谱,苄醇,3.7,各类有机化合物的质谱,2.,苯 酚,3.7,各类有机化合物的质谱,3.,醚,脂肪醚,3.7,各类有机化合物的质谱,芳香醚,3.7,各类有机化合物的质谱,图,5.14,邻、对位二甲氧基苯的质谱,3.7.3,硫醇、硫醚,硫醇,图,5.15,正十二烷基硫醇的质谱,3.7,各类有机化合物的质谱,硫醚,3.7,各类有机化合物的质谱,3.7.4,胺类化合物,脂肪胺,伯胺,仲胺,叔胺,3.7,各类有机化合物的质谱,图,5.16,丁胺异构体的质谱,正丁胺,二乙胺,N,N-,二甲基乙基胺,3.7,各类有机化合物的质谱,苯胺,3.7,各类有机化合物的质谱,3.7.5,卤代烃,图,5.17,化合物,D,的质谱,3.7,各类有机化合物的质谱,3.7.6,羰基化合物,醛,分子离子峰可见，出现,-,氢重排的奇电子离子峰,3.7,各类有机化合物的质谱,酮,3.7,各类有机化合物的质谱,图,5.19 C,6,H,12,O,的质谱,3.7,各类有机化合物的质谱,图,5.20 C,6,H,5,COC,3,H,7的质谱,芳,酮,羧酸类,3.7,各类有机化合物的质谱,图,5.21,正丁酸的质谱 图,5.22,对苯二甲酸的质谱,3.7,各类有机化合物的质谱,酯类化合物：,3.7,各类有机化合物的质谱,图,5.23,正十一酸甲酯的质谱,3.7,各类有机化合物的质谱,双氢重排,m/z,60,3.7,各类有机化合物的质谱,酰胺类化合物：,3.7,各类有机化合物的质谱,图,5.24 N,，,N-,二乙基乙酰胺的质谱,氨基酸与氨基酸酯：,甘氨酸乙酯 丙氨酸乙酯 丝氨酸乙酯,3.7,各类有机化合物的质谱,天冬氨酸乙酯,蛋氨酸乙酯,苯丙氨酸乙酯 色氨酸乙酯,3.7,各类有机化合物的质谱,3.7.7,质谱图中常见碎片离子及其可能来源,3.7,各类有机化合物的质谱,3.7,各类有机化合物的质谱,3.7,各类有机化合物的质谱,推导有机物分子结构,由质谱数据推导有机物分子结构的过程，形象地说，如同用弹弓击碎一个瓷花瓶，再由一堆碎片来拼凑复原花瓶的过程。,第四部分,质谱结构解析,4.1.1,质谱图解析的方法和步骤,1.,校核质谱谱峰的,m/z,值,2.,分子离子峰的确定,3.,对质谱图作一总的浏览,分析同位素峰簇的相对强度比及峰形，判断是否有,Cl,、,Br S,、,Si,、,F,、,P,、,I,等元素。,含硫的样品,32S:33S:34S=100:0.8:4.4,含,Si,的化合物,28 Si:29Si:30Si100:5.1:3.4,4.1,质谱解析一般程序,含重同位素（如,Cl,Br,）,的样品,35,Cl:,37,Cl=100:32.5 3:1;,79,Br:,81,Br=100:981:1,分子中含,1,Cl,，,(a+b),1,M:M+23:1,分子中含,2,Cl,，,(a+b),2,M:M+2:M+49:6:1,分子中含,1 Br,，,(a+b),1,M:M+21:1,分子中含,2 Br,，,(a+b),2,M:M+2:M+41:2:1,分子中含,1Cl,和,1Br,(a+b)(c+d),M:M+2:M+43:4:1,4.,分子式的确定,-,计算不饱和度,5.,研究重要的离子,（,1,）高质量端的离子（第一丢失峰,M,18,OH,）,（,2,）,重排离子,（,3,）亚稳离子,（,4,）重要的特征离子,烷系：,29,、,43,、,57,、,71,、,85.,芳系：,39,、,51,、,65,、,77,、,91,、,92,、,93,氧系：,31,、,45,、,59,、,73,（醚、酮）,氮系：,30,、,44,、,58,6.,推测结构单元和分子结构,通过对谱图中各碎片离子、亚稳离子、分子离子的化学式、,m/z,相对峰高等信息，根据各类化合物的分裂规律，找出各碎片离子产生的途径，从而拼凑出整个分子结构。根据质谱图拼出来的结构，对照其他分析方法，得出可靠的结果。,4.2,质谱图的解释4.2,质谱图的解释,4.2,质谱图的解释,解析：,1 100，分子离子峰,285，失去,CH,3,（15）,的产物,357,丰度最大,稳定结构,失去,CO(28),后的产物,4.2,质谱图的解释,4.2,质谱图的解释,4.2,质谱图的解释,4.2,质谱图的解释,4.2,质谱图的解释,1.,请写出下列化合物质谱中基峰离子的形成过程。,1,，,4-,二氧六环,基峰,离子,m/z 28,可能的形成过程为：,4.3,质谱解析实例,2-,巯基丙酸甲酯,基峰离子,m/z 61,可能的形成过程为：,E-1-,氯,-1-,己烯,基峰离子,m/z 56,可能的形成过程为：,2.,试判断质谱图,1,、,2,分别是,2-,戊酮还是,3-,戊酮的质谱,图。写出谱图中主要离子的形成过程。,解：由图,1,可知，,m/z 57,和,m/z 29,很强，且丰度相当。,m/z 86,分子离子峰的质量比最大的碎片离子,m/z 57,大,29 u,，,该质量差,属合理丢失，且与碎片结构,C,2,H,5,相符合。所以，图,1,应是,3-,戊酮的质谱，,m/z 57,、,29,分别由,-,裂解、,-,裂解产生。,由图,2,可知，图中的基峰为,m/z 43,，,其它离子的丰度都很低，这是,2-,戊酮进行,-,裂解和,-,裂解所产生的两种离子质量相同的结果。,3.,未知物质谱图如下，红外光谱显示该未知物在,1150,1070 cm,-1,有强吸收，试确定其结构。,解：从质谱图中得知以下结构信息：,m/z 88,为分子离子峰；,m/z 88,与,m/z 59,质量差为,29u,，,为合理丢失。且丢失的可能,的是,C,2,H,5,或,CHO,；,图谱中有,m/z 29,、,m/z 43,离子峰，说明可能存在乙基、正丙,基或异丙基；,基峰,m/z 31,为醇或醚的特征离子峰，表明化合物可能是醇或,醚。,由于红外谱在,1740,1720 cm,-1,和,3640,3620 cm,-1,无吸收，可否 定化合物为醛和醇。因为醚的,m/z 31,峰可通过以下重排反应产生：,据此反应及其它质谱信息，推测未知物可能的结构为：,质谱中主要离子的产生过程,4.,某化合物的质谱如图所示。该化合物的,1,H NMR,谱,在,2.3,ppm,左右有一个单峰，试推测其结构。,解：由质谱图可知：,分子离子峰,m/z 149,是奇数，说明分子中含奇数个氮原子,;,m/z 149,与,相邻峰,m/z 106,质量相差,43u,，,为合理丢失，丢,失的碎片可能是,CH,3,CO,或,C,3,H,7,;,碎片离子,m/z 91,表明，分子中可能存在,苄基,结构单元。,综合以上几点及题目所给的,1,H NMR,图谱数据得出该化合物,可能的结构为,质谱图中离子峰的归属为,5.,一个羰基化合物，经验式为,C,6,H,12,O,，,其质谱见 下图判断该化合物是何物。,解；图中,m/z,=100,的峰可能为分子离子峰，那么它的分 子量则为,100,。图中其它较强峰有：,85,，,72,，,57,，,43,等。,85,的峰是分子离子脱掉质量数为,15,的碎片所得，应为甲基。,m/z,=43,的碎片等于,M-57,，,是分子去掉,C,4,H,9,的碎片。,m/z,=57,的碎片是,C,4,H,9,或者是,M-Me-CO,。,根据酮的裂分规律可初步判断它为甲基丁基酮，裂分方式为：,以上结构中,C,4,H,9,可以是伯、仲、叔丁基，能否判断？图中有一,m/z,=72,的峰，它应该是,M-28,，,即分子分裂为乙烯后生成的碎片离子。只有,C,4H,9,为仲丁基，这个酮经麦氏重排后才能得到,m/z,=72,的碎片。若是正丁基也能进行麦氏重排，但此时得不到,m/z,=72,的碎片。,因此该化合物为,3-,甲基,-2-,戊酮。,6.,试由未知物质谱图推出其结构。,解：图中最大质荷比的峰为,m/z 102,，,下一个质荷比的峰为,m/z 87,，,二者相差,15u,，,对应一个甲基，中性碎片的丢失是合理的，可初步确定,m/z 102,为分子离子峰。,该质谱分子离子峰弱，也未见苯环碎片，由此可知该化合物为脂肪族化合物。,从,m/z 31,、,45,、,73,、,87,的系列可知该化合物含氧且为醇、醚类型。由于质谱图上无,M,18,等有关离子因此未知物应为脂肪族醚类化合物。结合分子量,102,可推出未知物分子式为,C,6,H,14,O,。,从高质量端,m/z 87,及强峰,m/z 73,可知化合物碎裂时失去甲基、乙基（剩下的含氧原子的部分为正离子）。,综上所述，未知物的可能结构有下列两种：,m/z 59,、,45,分别对应,m/z 87,、,73,失,28u,，,可设想这是经四员环氢转移失去,C,2,H,4,所致。由此可见，未知物结构式为（,a,），,它产生,m/z 59,、,45,的峰，质谱中可见。反之，若结构式为（,b,），,经四员环氢转移将产生,m/z 45,、,31,的峰，而无,m/z 59,，,但质谱图中有,m/z 59,，而,m/z 31,很弱，因此结构式（,b,）,可以排除。,下面分析结构式（,a,）,的主要碎裂途径：,7.,试由质谱图推出该未知化合物结构。,解：从该图可看出,m/z 228,满足分子离子峰的各项条件，可考虑它,为分子离子峰。,由,m/z 228,、,230,；,183,、,185,；,169,、,171,几乎等高的峰强度比可,知该化合物含一个,Br,。,m/z 149,是分子离子峰失去溴原子后的碎片离子，由,m/z 149,与,150,的强度比可估算出该化合物不多于十个碳原子，但进一步推出,元素组成式还有困难。,从,m/z 77,、,51,、,39,可知该化合物含有苯环。,从存在,m/z 91,，,但强度不大可知苯环被碳原子取代而非,CH,2,基团。,m/z 183,为,M,45,，,m/z 169,为,M,45,14,，,45,与,59u,很可能对,应羧基,COOH,和,CH,2,COOH,。,现有结构单元：,加起来共,227,质量单位，因此可推出苯环上取代的为,CH,，,即该,化合物结构为：,其,主要碎化途径如下：,8,某化合物的质谱如下图所示，由谱图推导其结构。,4.2,质谱解析实例,9,某化合物的质谱图如下图所示，推导其结构。谱中,m/z 106(82.0),，,m/z 107(4.3),，,m/z 108(3.8),。,10,化合物的质谱图如图所示，推导其结构。,质谱：纯物质结构分析,色谱：化合物分离,色谱,-,质谱联用：,GC-MS,；,LC-MS,；,CZE-MS,（毛细管电泳,-,质谱）,困难点：,载气,(,或流动液,),的分离；,出峰时间监测；,仪器小型化；,关键点：接口技术,(,分子分离器,),五、质谱应用,5.1,气质联用,Sample,Sample,5890,1.0,DEG/MIN,HEWLETT,PACKARD,HEWLETT,PACKARD,5972A,Mass,Selective,Detector,D,C,B,A,A,B,C,D,Gas Chromatograph(GC),Mass Spectrometer,Separation,Identification,B,A,C,D,A,D,B,C,MS,5.1,气质联用,色谱,-,四极杆质谱仪结构示意图,5.1,气质联用,LC-MS(,离子阱,),联用仪器结构示意图,5.2,液质联用,