第三章 质谱 3.1 质谱的基本知识 3.1.1 定义: 使待测的样品分子气化,用具有一定能量的电子束(或具有一定能量的快速原子)轰击气态分子,使气态分子失去一个电子而成为带正电的分子离子。分子离子还可能断裂成各种碎片离子,所有的正离子在电场和磁场的综合作用下按质荷比(m/z)大小依次排列而得到谱图。
3.1.2 离子化的方法 2. 化学电离(CI) 3. 场致离(FI)和场解吸 ( FD ) 4. 快原子轰击(FAB) 3.1.2 离子化的方法 1. 电子轰击(EI) 2. 化学电离(CI) 3. 场致离(FI)和场解吸 ( FD ) 4. 快原子轰击(FAB) 5. 电喷雾电离(ESI) 3.1.3 基本原理
质谱仪示意图 离子生成后,在质谱仪中被电场加速。加速后其动能和位能相等 即: (1) 其中 m: 离子质量;v: 离子速度;z: 离子电荷;V: 加速电压
当被加速的离子进入磁分析器时,磁场再对离子进行作用,让每 一个离子按一定的弯曲轨道继续前进。其行进轨道的曲率半径决 定于各离子的质量和所带电荷的比值m/z。此时由离子动能产生的 离心力(mv2/R)与由磁场产生的向心力(Hzv)相等: 其中:R为曲率半径 H为磁场强度 (2) 由此式得: 代入(1)式得: 这就是质谱的基本方程
3.1.4 质谱图的组成 质谱图由横坐标、纵坐标和棒线组成。 横坐标标明离子质荷比(m/z)的数值,纵坐标标明各峰的相对强度,棒线代表质荷比的离子。图谱中最强的一个峰称为基峰,将它的强度定为100。 丁酮的质谱图
3.1.5 质谱术语 基峰:质谱图中离子强度最大的峰,规定其相对强度(RI) 精确质量:低分辨质谱中离子的质量为正数,高分辨质谱给出 3.1.5 质谱术语 基峰:质谱图中离子强度最大的峰,规定其相对强度(RI) 或相对丰度(RA)为100。 精确质量:低分辨质谱中离子的质量为正数,高分辨质谱给出 分子离子或碎片离子的精确质量,其有效数字视 质谱计的分辨率而定。基于精确原子量。 CO、N2、C2H4 的精确质量依次为: 27.9949、28.0062、28.0313
3.1.6 质谱中的各种离子 1. 分子离子 分子离子是一个游离基离子。 在质谱图上,与分子离子相对应的峰为分子离子峰。 分子离子峰的应用: 3.1.6 质谱中的各种离子 1. 分子离子 分子被电子束轰击失去一个电子形成的离子称为分子离子。分子离子用 M+• 表示。 分子离子是一个游离基离子。 在质谱图上,与分子离子相对应的峰为分子离子峰。 分子离子峰的应用: 分子离子峰的质荷比就是化合物的相对分子质量,所以,用质谱法可测分子量。
2. 同位素离子 3. 碎片离子 4. 重排离子 含有同位素的离子称为同位素离子。在质谱图上,与同位素离子相对应的峰称为同位素离子峰。 2. 同位素离子 含有同位素的离子称为同位素离子。在质谱图上,与同位素离子相对应的峰称为同位素离子峰。 3. 碎片离子 分子离子在电离室中进一步发生键断裂生 成的离子称为碎片离子。 4. 重排离子 经重排裂解产生的离子称为重排离子。其结构并非 原来分子的结构单元。
5 . 母离子与子离子 任何一离子进一步产生了某离子,前者称为母离子,后者称为子离子。 分子离子是母离子的一个特例。 6 . 奇电子离子与偶电子离子 具有未配对电子的离子为奇电子离子。 记为:M+. ,A+. … ; 这样的离子同时也是自由基,具有较高的反应活性。 无未配对电子的离子为偶电子离子。如:D+
7 . 多电荷离子 失掉两个以上电子的离子是多电荷离子。 8. 亚稳离子 从离子源出口到检测器之间产生的离子。 9. 准分子离子 比分子量多或少 1 质量单位的离子称为准分子离子,如:(M+H) + 、( M+H)+ 不含未配对电子,结构上比较稳定
3.2 分子离子与分子式 3.1.1 分子离子峰的识别 1. 在质谱图中,分子离子峰应该是最高质荷比的 3.1.1 分子离子峰的识别 1. 在质谱图中,分子离子峰应该是最高质荷比的 离子峰(同位素离子及准分子离子峰除外)。 2. 分子离子峰是奇电子离子峰。 3. 分子离子能合理地丢失碎片(自由基或中性分子), 与其相邻的质荷比较小的碎片离子关系合理。 4. 氮律:当化合物不含氮或含偶数个氮时,该化合物 分子量为偶数;当化合物含奇数个氮时,该化合物 分子量为奇数。
3.2.2 分子离子峰的相对强度(RI) 1. 芳环(包括芳杂环)> 脂环化合物 > 硫醚、硫酮 > 共轭烯 分子离子峰比较明显。 2. 直链酮、酯、酸、醛、酰胺、卤化物等通常显示 分子离子峰。 3. 脂肪族醇、胺、亚硝酸酯、硝酸酯、硝基化合物 、腈类及多支链化合物容易裂解,分子离子峰通 常很弱或不出现。
5.2.4 分子式的推导 3.2.3 M+. 峰和 (M+1)+ 峰或 (M-1)+ 峰的判别 醚、酯、胺、酰胺、腈化物、氨基酸酯、胺醇 等 1. 如何判断分子式的合理性 该式的式量等于分子量;是否符合氮律; 不饱和度是否合理。
2. 低分辨质谱法 同位素相对丰度的计算法、查 Beynon 表法 1) 同位素峰簇及其相对丰度 除 F、P、I 外,都有同位素 分子离子或碎片离子峰常以同位素簇的形式存在。 低质量的同位素(A)丰度计为100
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的各峰的相对丰度可 用二项式 (a+b)m 展开式的系数推算; Cl : 个数 峰形 Br : 个数 峰形 1 3:1 1 1:1 2 9:6:1 2 1:2:1 3 27:27:9:1 3 1:3:3:1 若化合物含有 i 种元素,它们都有非单一的同位素组成, 总的同位素峰簇各峰之间的强度可用下式表示: (a1+b1)m1 (a2+b2)m2 … (ai+bi)mi
2)利用同位素峰簇的相对丰度推导化合物的分子式 a. 从 M+1 峰与 M 峰强度的比值 可估算出分子中含碳的数目 式中 I(M+1) 和 I(M) 分别表示 M+1 峰和 M 峰的(相对)强度 b. 从 M+2 峰与 M 峰强度的比值 可估算出分子中含 S,Cl,Br 的数目 S 4.4% ; M+2, M+4, M+6 峰很特征
c. 其它元素的存在及其原子数目 ① 氟的存在可以从分子离子失去20,50 u (分别对应失去HF,CF2)而证实 ② 碘的存在可以从 M-127 得到证实 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分子 中存在的氢原子数目。
3. 高分辨质谱法 可测得化合物的精确分子量 如: C5H14N2O3 C6H14O4 150 150 低 150.1004 150.0892 高
例1:化合物 A 的质谱数据及图如下,推导其分子式。
通过计算可知,分子中碳的数目≌ 5,若为5,则分子式为C5N, 解:图中高质荷比区 m/z 73,74; 设 m/z 73为 M+.,与相邻强度较大的碎片离子58之间(15)为合 理丢失峰(.CH3),可认为m/z 73 为化合物 A 的分子离子峰,74为 (M+1)峰。因 M+. 的 m/z 为奇 数,说明 A 中含有奇数个氮。 通过计算可知,分子中碳的数目≌ 5,若为5,则分子式为C5N, 其分子量大于73,显然不合理。若为4,则73-14-12×4=11,可 能的分子式为 C4H11N,Ω=0。该式组成合理,符合氮律,可认为 是化合物 A 的分子式。
例2:化合物 B 的质谱数据及图如下,推导其分子式。
解:设高质荷比区, RI 最大的 峰 m/z 97 为分子离子峰,由于 m/z 97与m/z 98的相对强度之比约为2:1,既不符合C,H,N,O,S 化合物的同位素相对丰度比,又 不符合 Cl,Br原子组成的同位素 峰簇的相对丰度比,故 m/z 97可 能不是分子离子峰。设 m/z 98 为分子离子峰,与 m/z 71,70关系合理,可认为 m/z 98 为 M+., m/z 97 为(M-1)峰。化合物不含氮或偶数氮(此处省略)。 由表中数据可知, m/z 98 (56) M+. , 99 (7.6) (M+1) , 100 (2.4) (M+2)
则 RI (M+1) / RI (M) ×100=13.6,RI (M+2) / RI (M)×100=4.3 98-32=66,66÷12=5.5,说明羰原子数目只能小于等于 5; 若为 5,66-12×5=6,可能分子式为 C5H6S,Ω=3是合理的。 若为4,66-12×4=18,此时分子式假设为 C4H18S, Ω=-4, 故不合理;假设分子中含有一个氧,此时分子式为 C4H2OS, Ω=4 也是合理的。 所以化合物 B 的分子式可能为 : C5H6S 或 C4H2OS
例3:化合物 C 的质谱数据及图如下,推导其分子式。
解:由表及图可知,m/z 164 与 166,135 与 137 的相对强度之比 均近似为1:1,m/z 164 与相邻碎片离子峰 m/z 135(M-29)和 85 (M-79) 之间关系合理,故认为 m/z 164为化合物 C 的分子离子峰, 且分子中含有一个溴原子,不含氮或偶数氮。 85÷12≈7,即碳原子数目小于等于 7 。(若用计算碳原子个 数的方法计算,碳原子数目约等于6。) ①若为7,可能的分子式为C7HBr,Ω=7,此时不饱和度过大, 而组成式子的原子数目过少,不符合有机化合物的结构,不合理。
② 若为 6 ,则85-12×6=13,可能的分子式为C6H13Br, Ω=0,可知该式合理。 ③ 若为 5,则85-12×5=25,假设分子式为 C5H25Br, Ω<0,不合理。假设分子式中含有一个氧,其分子式为 C5H9OBr, Ω=1,也是合理的分子式。 所以化合物 C 的可能分子式为 C6H13Br 或 C5H9OBr 由图中的碎片离子可判断其分子式为 C6H13Br
3.3 有机质谱中的裂解反应 3.3.1 研究有机质谱裂解反应的实验方法 1. 亚稳离子法 3.3.2 有机质谱裂解反应机理 裂解方式 3.3 有机质谱中的裂解反应 3.3.1 研究有机质谱裂解反应的实验方法 1. 亚稳离子法 2.同位素标记法 3.3.2 有机质谱裂解反应机理 裂解方式 分为简单开裂和重排开裂
1. 简单断裂 从化学键断裂的方式可分为均裂、异裂和半异裂 (键先被电离, 然后断裂)。 均裂 异裂 半异裂:
由自由基引发的、由自由基重新组成新键而在-位导致碎裂的过程称为-裂解。 简单开裂从裂解机制可分为以下主要三种: (1) -裂解 由自由基引发的、由自由基重新组成新键而在-位导致碎裂的过程称为-裂解。
由正电荷(阳离子)引发的碎裂过程。它涉及两个电子的转移。 (2)i-断裂 (或叫正电荷诱导裂解) 由正电荷(阳离子)引发的碎裂过程。它涉及两个电子的转移。 i-碎裂 * i-碎裂一般都产生一个碳正离子。 * 对于没有自由基的偶电子离子,只可能发生 i-碎裂。 -断裂与i-断裂是两种相互竞争的反应。 N 一般进行-断裂;卤素则易进行 i-断裂
当化合物不含杂原子、也没有重键时,只能发生 σ-断裂。 (3)σ- 断裂 当化合物不含杂原子、也没有重键时,只能发生 σ-断裂。 与分子结构的关系 (a) 有利于稳定碳正离子:
(b) 有利于共轭体系的形成 (c) 当分子中存在杂原子时,裂解常发生于邻近杂原子的 C-C 键上 (d) 有利于形成稳定的中性小分子(象H2O,CO,NH3,ROH等)
2.重排反应 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。 生成的某些离子的原子排列并不保持原来分子结构的关系,发生了原子或基团的重排。 质量奇偶不变,失去中性分子。
常见的有麦克拉夫悌(Mclafferty)重排开裂(简称麦 氏重排)和逆Diels-Alder 开裂 麦氏重排 具有-氢原子的側链苯、烯烃、环氧化合物、醛、酮等经过六元环状过渡态使-H转移到带有正电荷的原子上,同时在、原子间发生裂解,这种重排称为麦克拉夫悌重排裂解。
逆Diels-Alder 开裂 具有环己烯结构类型的化合物可发生此类裂解,一般形 成一个共轭二烯正离子和一个烯烃中性碎片: 碎片离子及裂解机制的应用 (1)可以对一个具体的有机化合物的质谱进行解释 (2)可以鉴定化合物。
3.3.3有机化合物的一般裂解规律 1. 偶电子规律 偶电子离子裂解,一般只能生成偶电子离子。 2. 烃类化合物的裂解 优先失去大基团,优先生成稳定的正碳离子。
3.含杂原子化合物的裂解(羰基化合物除外) 胺、醇、醚、硫醇、硫醚类化合物,主要是自由基位置引 发的Cα-C β间的 σ 键裂解(称 α -断裂,正电荷在杂原子上) 和正电荷诱导的碳-杂原子之间σ 键的异裂(称 i-异裂),正 电荷发生位移。
4. 羰基化合物的裂解 自由基引发的均裂及正电荷诱导的异裂。
5. 逆 Diels-Alder 反应( retro- Diels-Alder )
6. 氢的重排反应 1) Mclafferty 重排
2)自由基引发或正电荷诱导,经过四、五、六元环过渡氢的重排