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第四章 质谱分析法
Mass Spectrometry，MS
第一节 概述
4.1.1 质谱仪的发展史
· 1911年: 世界第一台质谱装置（J.J. Thomson）
· 40年代: 用于同位素测定和无机元素分析
· 50年代： 开始有机物分析（分析石油）
· 60年代： 研究GC-MS联用技术
· 70年代： 计算机引入
· 80年代： 新的质谱技术出现：快原子轰击电离子源，基质辅助激光解吸电离源，电喷雾电离源，大气压化学电离源；LC-MS联用仪，感应耦合等离子体质谱仪，富立叶变换质谱仪等
目前质谱分析法已广泛地应用于化学、化工、材料、环境、地质、能源、药物、刑侦、生命科学、运动医学等各个领域。
4.1.2 质谱分析法是按照离子的质核比（m/z）大小对离子进行分离和测定从而对样品进行定性和定量分析的一种方法。
质谱法的主要作用是：
（1）准确测定物质的分子量
（2）根据碎片特征进行化合物的结构分析
分析时，首先将分子离子化，然后利用离子在电场或磁场中运动的性质，把离子按质核比大小排列成谱，此即为质谱。
4.2.2 有机质谱中的各种离子
1）分子离子（molecular ion）
样品分子失去一个电子而电离所产生的离子，记为 M+。
2）准分子离子（quasi-molecular ion）
准分子离子常由软电离产生，一般为 M+H M-H +。
3）碎片离子（fragment ion）
泛指由分子离子破裂而产生的一切离子。狭义的碎片离子指由简单断裂产生的离子。
4）重排离子（rearrangement ion）
经重排反应产生的离子，其结构不是原分子结构单元。
5）母离子（parent ion）与子离子（daughter ion）
任何一离子进一步产生某离子，前者称为母离子，后者称为子离子。
6）亚稳离子（metastable ion）
是从离子源出口到检测器之间产生的离子。
7）奇电子与偶电子离子（odd- and even-electron ion）
具有未配对电子的离子称为奇电子离子，不具有未配对电子的离子称为偶电子离子。
8）多电荷离子（multiply-charged ion）
失掉两个以上电子的离子称为多电荷离子。
9）同位素离子（isotopic ion）
当元素具有非单一的同位素组成时，产生同位素离子。

EI是质谱中最常用的离子源，电子能量一般为70eV，大多数有机化合物的电离电位7~15eV，多数分子离子进一步裂解产生碎片离子。
样品分子形成离子的四种途径：
• 样品分子被打掉一个电子形成分子离子（同位素离子）。
• 分子离子进一步发生化学键断裂形成碎片离子。
• 分子离子发生结构重排形成重排离子。
• 通过分子离子反应生成加合离子。
特点：
v 碎片离子多，结构信息丰富，有标准化合物质谱库；
v 主要用于挥发性样品的电离，不能汽化的样品不能分析；
v 稳定性不高的样品得不到分子离子；
（2）化学电离源(chemical ionization CI)
结构与EI同，离子化室充反应气体（甲烷、异丁烷、氨等），电子首先将CH4离解，通过离子-分子反应来完成电离。其电离过程如下：
化学电离源是一种软电离方式，有些稳定性差的化合物，用EI方式得不到分子离子，改用CI后可以得到准分子离子，因而可以求得分子量。
特点：
v 得到一系列准分子离子(M+1)+，(M-1)+，(M+2)+等等；
v 一般都有正CI和负CI，可以根据样品情况进行选择，对于含有很强的吸电子基团的化合物，检测负离子的灵敏度远高于正离子的灵敏度；
v 碎片离子峰少，图谱简单，易于解释；
v 适用于易汽化的样品，不适于难挥发成分的分析。
v CI得到的质谱不是标准质谱，所以不能进行库检索。
第三节 质谱图分析

图4-19 多巴胺的质谱图
基峰（base peak）：最高峰，丰度100%
通常质量数最大的为分子离子峰，质量数等于分子量
4.3.1 由EI谱确定分子量
在EI谱中，分子离子峰在数值上等于分子量。
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。
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。
6）含氯和溴原子的化合物
35Cl：相对丰度，75.77%
37Cl：相对丰度，24.23%
79Br：相对丰度，50.5%
81Br：相对丰度，49.5%
7）有些没有分子离子峰的化合物易丢失的中性分子
醇易脱水而丢失质量数18，分子量=最高质量数+18
乙酸乙酯易失去乙酸，质量数60
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
(2) 样品化合物衍生化。
(3) 采用软电离技术。
4.3.2 根据同位素丰度比例确定分子式
第四节 有机质谱中的反应及其机理
4.4.1 概述
1. 离子正电荷位置的表示
CH3CH2CH2OH；
3. 断裂方式
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）：

4. 有机质谱主要涉及单分子反应
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。
5. 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。
4.4.2 简单断裂
· 仅一根化学键断开，反应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，经简单断裂产生一个自由基和一个正离子（偶电子离子）。
· 含一个氮的化合物，分子离子为奇质量数，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。
· 断裂形成的正离子稳定性越高，断裂越易发生。
CH3+＜RCH2+＜R2CH+＜CH2=CH-CH2+＜Ar-CH2+
1. 简单断裂的引发机制
1） 自由基引发（a-断裂）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）一对电子发生转移

· i 断裂和 a 断裂是相互竞争的反应。一般讲，i 断裂的重要性小于 a 断裂。
· a 断裂的大致顺序：N > S、O、p、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 p 键时，只能发生 s 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 s 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 s 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
À 邻接杂原子的C-C键（ a -C上的另一根键）发生断裂（a 断裂） 。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a 断裂时，大的烷基优先脱去。很常见
Á 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 s 断裂） 。较少见
规律：
· 杂原子和碳原子以双键相连，只能进行À 。
· 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À的可能性大；当X为周期表右下方，则发生Â的可能性大。
b) 杂原子连接氢原子时，发生À的可能性大；杂原子连接烷基时，发生Á、Â的可能性大。
c) 烷基R所对应的离子R+稳定性高时，易发生Á，反之则易发生 Â。
d) -NH2, -NHR: À，-NR1R2: À, Á，-OH: À，-OR: À, Á，-SR: À, Á（Á 的几率更大些），RI, RBr: Â
2） 邻接碳、碳不饱和键的C-C键及邻接苯环、杂芳环的C-C键易断裂（a 断裂）。 共振结构式越多，离子稳定性越高。
3） 碳链分枝处易发生断裂，分枝愈多，愈易断裂。
4） 饱和环易于在环与侧链连接处断裂。
5） 分枝处有几种断裂的可能时，大基团优先脱落。

4.4.3 重排（rearrangement)
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。
1. McLafferty重排

v D=E：代表双键（或叁键）基团；C：碳原子或杂原子；H：相对于不饱和键 g 位置碳原子A上的氢原子。
v 发生麦式重排的条件：不饱和基团及其 g 氢的存在。重排离子如仍满足条件，可再次发生重排。
v 麦式重排有生成两种离子的可能性，但含 p 键的一侧带正电荷的可能性大些。

2. 逆Diels-Alder反应（Retro-Diels-Alder, RDA）

v 当分子中存在含一根 p 键的六员环时，可发生RAD反应；
v 该重排正好是Diels-Alder反应的逆反应；
v 含原双键的部分带正电荷的可能性大些；
v 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。
3. 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”：

4. 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。

v 发生于含杂原子的分子离子的概率不大。
v 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。
5. 自由基引发或正电荷诱导，经过五、六员环过渡态氢的重排

6. 两个氢原子的重排

v 较易发生在乙酯以上的羧酸酯的质谱中。
v 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。
v 产生的离子比相应的简单断裂产生的离子质量数大 2。
7. 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, NH2
4.4.4 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 g 位或其附近。
4.4.5 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。
第五节 常见化合物的质谱
4.5.1 烷烃
1. 开链烷烃的质谱特点
· 分子离子峰较弱，分支程度越高，分子离子峰越弱，甚至消失；
· 质谱特征是具有质量相差14（CH2）单位的峰簇（CnH2n-1, CnH2n, CnH2n+1）组成；直链烷烃峰簇中CnH2n+1为最高峰，支链烷烃的CnH2n离子较强，有时强于相应的CnH2n+1离子。
· 碎片离子C3以上强度递减，因为碎片可继续分裂，但 C3可重排为CH3CHCH3而稳定，m/z = 43。
2. 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CnH2n-1峰，也常伴随氢原子的失去，有较强的CnH2n-2峰。
· 环的碎化特征是失去C2H4（M-28），也可能失去C2H5。
4.5.2 烯烃
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CnH2n-1。
· 当相对双键 g -C原子上有氢时，可发生McLafferty重排。顺式、反式的质谱很类似。
· 易发生a 断裂，生成很强的烯丙基离子（m/z = 41）
m/z = 41

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重排。
· 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。
· 双键的位置难以确定，尤其是环戊烯和环庚烯。
RDA重排
m/z = 54

图4-33 柠檬烯的质谱图