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第四章：质谱法

第一节: 概述
1.1 发展历史
1. 1886年，E. Goldstein在低压放电实验中观察到正电荷粒子.
2. 1898年,W. Wen发现正电荷粒子束在磁场中发生偏转.
3. 现代质谱学之父: J. J. Thomson(获1906年诺贝尔物理奖).
4. 1922年, F.W.Aston[英]因发明了质谱仪等成就获诺贝尔化学奖. 1942年, 第一台商品质谱仪.
5. 50年代起,有机质谱研究(有机物离子裂解机理, 运用质谱推断有机分子结构)
6. 各种离子源质谱, 联机技术的研究及其在生物大分子研究中的应用(CI, FD, FAB, ESI-MS等)
1.2 特点:
1. 灵敏度高(几微克甚至更少的样品, 检出极限可达10-14克)
2. 是唯一可以确定分子式的方法.
3. 分析速度快(几秒)
4. 可同色谱联用.

第二节: 基本原理
2.1基本原理
质谱是唯一可以确定分子式的方法。而分子式对推测结构是至关重要的。质谱法的灵敏度远远超过其它方法，测试样品的用量在不断降低，而且其分析速度快，还可同具有分离功能的色谱联用。
具有一定压力的气态有机分子，在离子源中通过一定能量(70ev)的电子轰击或离子分子反应等离子化方式，使样品分子失去一个电子产生正离子, 继而还可裂解为一系列的碎片离子，然后根据这些离子的质荷比(m/ze)的不同，用磁场或磁场与电场等电磁方法将这些正离子进行分离和鉴定。由此可见质谱最简单形式的三项基本功能是：
（1）气化挥发度范围很广的化合物；
（2）使气态分子变为离子（除了在气化过程中不产生中性分子而直接产生离子的化合物）；
（3）根据质荷比(m/ze)将它们分开，并进行检测、记录。由于多电荷离子产生的比例比单电荷离子要小得多，通常取z等于1，e为常数（1个电子的电荷），因而就表征了离子的质量。
这样，质谱就成为了产生并称量离子的装置。 由于各化合物所形成的离子的质量以及各种离子的相对强度都是各化合物所特有的，故可从质谱图形中确定分子量及其结构。
(一) 电离方式：

一般，MS测定采用电子轰击法（electron impact ionization，简称EI），故称EIMS。它是应用最普遍、发展最成熟的电离方法。测定EI-MS时，需要先将样品加热气化，而后才能电离。故容易发生热分解的化合物，如醇、糖苷、部分羧酸等，往往测不到分子离子峰，看到的只是其碎片峰。而一些大分子物质，如糖的聚合物、肽类等，也因难于气化而无法测定。故近来多将一些对热不稳定的样品，如糖类、醇类等，进行乙酰化或三甲基硅烷化（TMS化），形成对热稳定性好的挥发性衍生物后再进行测定。近二十余年来，在电离方式的研发方面取得了巨大成绩，针对生物大分子等大极性、难气化、不稳定的化合物，开发了多种使样品不必加热气化而直接电离或者防止化合物热分解的新电离方法（软电离方法），如：
1. 化学电离（Chemical ionization,简称CI）
2. 场致电离（field ionization, 简称FI）和场解析电离(field desorption ionization，简称FD)
3. 快速原子轰击电离（fast atom bombardment, 简称FAB）
4. 基质辅助激光解吸电离（matrix-assisted laser desorption ionization，简称MALDA）
5. 电喷雾电离（electrospray ionization，简称ESI）

6. 大气压化学电离（atmospheric pressure chemical，简称APCI）等。
目的是一方面使质谱能显示出那些不稳定、高极性、难气化、难电离的化合物的分子离子峰，另一方面通过检测多电荷离子，使质量分析器检测的质量提高几十倍甚至更高。要注意的是，软电离方法一般显示明显的准分子离子峰，如 [M+H]+或[M-H]+ 峰、有时会出现[M+Na]+、[M+K]+峰等，而碎片离子峰往往很少，甚至没有。

由于各化合物所形成的离子的质量以及各种离子的相对强度都是各化合物所特有的,故可从质谱图形中确定分子量及其结构.
理论公式: (1). zV = mv2/2
(2). mv2/R = Hzv → v = HzR/m
(3). m/z = H2R2/2V
2.2 测定方法
三种仪器:
1. 单聚焦质谱仪：
2. 双聚焦质谱仪
3. 四极质谱仪
质谱仪的主体为: 进样系统，离子源, 质量分析器和离子检测器.
2.3质谱图
1． 质谱图的表示方法
（1） 图示法
（2） 数据法
2． 质谱图中离子峰的种类
（1） 分子离子峰
（2） 碎片离子峰
（3） 同位素峰
（4） 亚稳离子峰
（5） 多电荷离子峰

第三节. 分子量和分子式的确定
3.1 分子量的确定
从理论上讲，除同位素峰外，分子离子峰(Molecular Ion, M+.)呈现在谱图中的最高质量位置。但当分子离子不稳定时，可能导致分子离子峰不在谱图中出现，或生成大于或小于分子离子质量的(M+H)+、(M-H)+ 或(M+Na)+峰等。
M + e → M+. + 2e
对于纯化合物而言，判断分子离子峰时应注意：
1. 峰的强度
分子离子峰的强度依赖于分子离子的稳定性。当分子具有大的共轭体系时，其稳定性高；其次是有双键的化合物的分子离子稳定性较高；环状结构因断裂一个键后仍未改变质量，其分子离子峰也强；支链越多，分子离子越不稳定; 杂原子携带正电荷的能力按周期表自上而下的位置依次增强, 因而硫醇和硫醚的分子离子比醇和醚稳定.
通常有机化合物在质谱中表现的稳定性有以下次序：
芳香环 >脂环> 硫醚、硫酮> 共轭烯 > 直链碳氢化合物 > 羰基化合物 > 醚 > 胺 >支链烃 > 晴 > 伯醇 > 仲醇 >叔醇 > 缩醛.
2. 氮规则 (Nitrogen Rule)
对于只含有C、H、O、N的有机化合物，若其分子中不含氮原子或含有偶数个氮原子，则其分子量为偶数；若其分子中含有奇数个氮原子，则其分子量为奇数。
凡是奇电子离子（包括碎片离子）都符合氮规则，而偶电子离子则刚刚相反。
3. 中性碎片（小分子及自由基）的丢失是否合理
如一般由M+.减去4 ~ 14个质量单位或减去21~ 25个质量单位是不可能的。

4. 可采用软电离方法验证
a．降低电子束能量。
b．降低样品加热温度。
c．扩散法。
d．(M+H)+峰的判别。
e．软电离方法：场电离（FI）、场解吸（FD）、化学电离（CI）、解吸化学电离（DCI）、快原子轰击（FAB）、电喷雾电离（ESI）等
软电离方法一般显示明显的准分子离子峰，如 [M+H]+或[M-H]+ 峰、有时会出现[M+Na]+、[M+K]+峰等，而碎片离子峰往往很少，甚至没有。

3．2．分子式测定
1． 同位素丰度法[贝农（Beynon）表]
分子式测定可采用同位素丰度法[贝农（Beynon）表]，但此法对分子量大或结构复杂、不稳定的化合物是不适用的。现在一般都采用高分辨质谱法测定，可直接显示可能分子式及可能率。若测出的分子量数据与按推测的分子式计算出的分子量数据相差很小(与仪器精密度有关, 一般小于0.003), 则可认为推测可信的。
表：有机化合物常见元素同位素及其丰度
12C(100%), 13C(1.08%); 1H(100%), 2H(0.016%);
16O(100%), 17O(0.04%), 18O(0.20%); 14N(100%), 15N(0.37%);
32S(100%), 33S(0.80%), 34S(4.60%); 35Cl(100%), 37Cl(32.5%);
79Br(100%), 81Br(98.0%).

例1. 某化合物的质谱图上显示[M+.] m/z 150（100%）、[M+1] + m/z 151（10.2%）、[M+2] + m/z 152（0.88%）。试推断其分子式。

例2．某化合物的质谱图上显示[M+.] m/z 151（100%）、[M+1] + m/z 152（9.5%）、[M+2] + m/z 153（32.1%）。试推断其分子式。

例3. 某化合物的质谱图上显示[M+.] m/z 206（25.90%）、[M+1] + m/z 207（3.24%）、[M+2] + m/z 208（2.48%）。试推断其分子式。
（1答案：C9H10O2）;（2答案：C8H6NCl）;（3答案：C10H22S2）
1. 高分辨质谱法:
(1) 质谱仪的电脑软件直接显示可能分子式及可能率.
(2) 若测出的分子量数据与按推测的分子式计算出的分子量数据相差很小(与仪器精密度有关, 一般小于0.003), 则推测可信.

第四节 电子轰击电离过程

1. 电离：ABC + e- → ABC+ +2e- ABC + e- → ABCn+ +（n+1）e-
2。碎裂：
ABC+ + e- → A+ + BC （AB+ + C或A + BC+ ） 简单断裂
ABC+ + e- → AC+ + B 重排
3。分子-离子反应
ABC+ + ABC → ABCABC+ 缔合
ABC+ + ABC → ABCA+ + BC 原子或基团剥夺
4。共振俘获：
ABC + e- → ABC-
5．离解共振俘获：
ABC + e- → AB- + C
6．生成离子偶：
ABC+ + e- → AB+ + C- + e-
目前，大多数质谱仪的分析数据取自正离子。

第五节 离子碎裂机理

5．1 电荷-自由基定域假说（Charge Localization）
1940年，Cummings
1967年，Mclafferty and Djerassi

5．2 有机质谱裂解的机理：
由质谱数据推导有机物分子结构的过程，可以说是由碎片离子拼凑原有机分子的过程，为了使拼凑工作顺利，推导出的分子结构正确，当然应了解质谱裂解机理。
在质谱中，分子气相裂解反应主要分为两大类：即自由基中心引发的裂解和电荷中心引发的裂解。
1. 游离基中心引发的裂解
这类断裂反应也称为α裂解，是最重要的一种裂解机制。可用通式表示如下：

在质谱反应中，单电子转移用鱼钩“”表示，双电子转移用箭头“”表示。
如醇和醚：

同样的，硫醇和硫醚：

胺

杂原子对正电荷离子有致稳作用，且随杂原子的电负性的降低，致稳作用增强，即N>S>O>卤素。因此，如果同一分子中有两种不同杂原子的官能团，究竟哪一种官能团优先支配裂解，将遵循上述顺序。例如下图中（1）为优势裂解:

含有羰基的化合物,如醛、酮、酯等也易发生α裂解，如：

含烯丙基的烃类也发生α裂解，

丙烯基离子中，正电荷与双键Л电子共轭而稳定，所以这类裂解容易发生，相应碎片离子丰度较强。
含烃基侧链的芳烃也有类似烯丙基结构，所以也易发生这类α裂解，如：

苄基离子与离子共轭而致稳：

(2) 电荷中心引发的裂解
电荷中心引发的裂解又称诱导裂解。用i表示。一般讲，i裂解的重要性小于α裂解，但两者是相互竞争的反应。i裂解通式如下：
奇电子离子

例如 ：

偶电子离子

例如：

进行i裂解的顺序为卤素>O>S>N。因此N一般进行α裂解，卤素则易进行i裂解。
(3) 游离基中心引发的重排
在质谱中往往出现一些特定重排反应，产生的离子丰度高。这些重排特征离子对推导分子结构很有启示作用。最常见的这类重排是麦克拉夫悌重排（Mclafferty rearrangement）。它是由游离基中心引发，涉及到γ-H转移重排，所以又叫γ-H重排。它有两种类型：
a. γ-H重排到不饱和基团上，伴随发生α裂解，电荷保留在原来的位置上
b. γ-H重排到不饱和基团上，伴随发生β裂解（i裂解），电荷发生转移。
同一个分子离子既可发生（1）型裂解，也可发生（2）型裂解。究竟哪种类型占优势，由分子中取代基决定。只有γ-H转移而不是α-H或β-H转移，这是因为 γ-H刚好合适能量低的六元环过渡态。

上式中，Y=O的醛、酮、羧酸、羧酸酯、酰胺、硫酸酯只要有γ-H，均易发生这种重排裂解； Y=N的腙、肟、亚胺以及磷酸酯、亚硫酸酯也易发生这类重排裂解。此外，不含杂原子的烃和烷基苯也能发生。如 ：

(4) 电荷中心引发的重排
这种重排发生在偶电子离子（EE+）中，通式如下：

在奇电子离子中发生的这种重排，是酯、硫酯、酰胺和磷酸酯的特征：

(5) 其他裂解反应
前面概括地叙述了质谱中常见的四种类型裂解反应，除此以外，尚有一些裂解反应是值得注意的，如：
a. 逆狄尔斯-阿尔德裂解
狄尔斯-阿尔德反应是由一个共轭双烯和一个单烯分子合并成一个六员环单烯。而在质谱中由一个六员环单烯可裂解成为一个共轭双烯和一个单烯碎片离子，所以这种裂解被称为逆狄尔斯-阿尔德裂解（retro-Diels-Alder fragmentation）.

b. σ键裂解
σ键在电离时失去一个电子，则断裂往往在这个位置发生。在烷烃中，高取代的原子由于支链烃基的超共轭致稳效应，使该碳原子更易电离而开裂，这种裂解用σ表示。

c. 置换裂解（rd）
分子内部两个原子或基团（常常是带游离基中心的）能够互相作用，形成一个新键，同时其中一个基团（或两者）的另一键断裂，如1-卤化（氯或溴化）烷中最强峰就是由该裂解反应形成，该反应称为γ位置换裂解，以rd表示。

(6) 影响离子丰度的因素
上面提到的这些特定裂解反应和重排反应往往产生相对丰度较强的离子。另外还有一些因素影响着离子的丰度，如：
a. 产物离子的稳定性
影响离子稳定性最重要的因素是共轭效应，有共轭结构的体系，由于共轭效应稳定性较大，因而丰度也就较高，如：

烯丙基离子

苄基离子

b. Stevenson规则
奇电子离子的单键断裂产生两组离子和游离基产物：

这两组产物中哪组占优势由A+和BCD+两种离子的电离能（I）值决定，I值较低的离子有较高的形成概率。这一规则称为Stevenson规则。
c. 最大烷基的丢失
在反应中心最大烷基最易丢失，这是一个普遍倾向。丢失的烷自由基因超共轭效应致稳。烷基越大，分支越多，致稳效果越好，因而裂去后剩下的 离子丰度也越高。
稳定性: C4H9·>C2H5·>CH3·>H·
离子强度:

d. 稳定中性碎片的丢失
凡裂解的中性自由基如有共轭效应而致稳，如上面提到的烯丙基分支烷基等，则易丢失，丢失它们后形成的离子相对丰度也较高，易于丢失中性小分子，稳定性也较高，易于丢失如H2，CH4，H2O，C2H4，CO，NO，CH3OH，H2S，HCl，CH2 = C = O和CO2等。

例1．某化合物分子式为C4H8O，其MC图如下，试推断其结构

例2. 某化合物的分子式为C8H16O,质谱数据如下, 推断化合物结构.

例3. 某化合物的质谱数据如下, 推断化合物结构.
m/z : 43(~30%), 51(15%), 76(20%), 77(8%), 111(28%), 113(9%), 139(100%), 141(33%), 154(55%), 156(19%).
解:
例4. 某化合物结构见下图,并有如下质谱数据, 试用质谱证实其结构.

m/z : 322(15%), 249(17%), 206(16%), 117(50%), 116(56%), 113(100%), 98(60%), 86(90%).

例5. 某化合物分子式为C8H8O2, 其质谱数据如下, 并在3100~3700cm1处无红外吸收, 推断化合物结构.
m/z : 136(M), 105(100%), 77, 51, 39.

例6. 某化合物分子式为C6H12O, 其质谱数据如下, 推断化合物结构.

例7. 某烷烃的质谱数据如下, 推断化合物结构.
m/z : 114(M, 2%), 99(7%), 85(50%), 71(67%), 57(53%), 43(100%), 29(35%).

例8. 抗真菌的大环多烯抗菌素-钦氏菌素(Chainin)结构如下C33H54O10,用质谱证实其取代基位置.

还原→ M=464

例9. 化合物的质谱数据如下, 解释各碎片离子峰.
m/z : 113(M, 25), 98(12), 84(100), 85(14),70(60), 56(35), 41(38), 27(20).

例10. 下列三个化合物的质谱数据如下(碎片峰强度顺序递减), 指出其对应关系.

(1). m/z : 154(M,12.8), 84(100), 139, 93, 83, 41
(2) m/z : 154(M,0), 121(100), 93, 95, 43, 136.
(3) m/z : 154(M, 24.4), 112(100), 69, 41, 53, 139.

(答案:1 CH3COCH2CH3； ; 3 5; 6 ； 7;
9: A(逆Diels-Alder反应);
B(分子离子不稳定, M-H2O-CH3=121(基峰), M-H2O-C3H7(环外支链)=93;
C(分子离子最稳定, 麦氏重排=112.