質(zhì)譜解譜教程

1、第四章：質(zhì)譜法第一節(jié)：概述1.1發(fā)展歷史1. 1886年，E. Goldstein在低壓放電實(shí)驗(yàn)中觀察到正電荷粒子.2. 1898年,W. Wen發(fā)現(xiàn)正電荷粒子束在磁場(chǎng)中發(fā)生偏轉(zhuǎn).3. 現(xiàn)代質(zhì)譜學(xué)之父：J. J. Thomson筋1906年諾貝爾物理獎(jiǎng)）.4. 1922年，F(xiàn).W.Aston英因發(fā)明了質(zhì)譜儀等成就獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng).1942年，第一臺(tái)商品質(zhì)譜儀.5. 50年代起，有機(jī)質(zhì)譜研究（有機(jī)物離子裂解機(jī)理,運(yùn)用質(zhì)譜推斷有機(jī)分子結(jié)構(gòu)）6. 各種離子源質(zhì)譜，聯(lián)機(jī)技術(shù)的研究及其在生物大分子研究中的應(yīng)用（CI, FD, FAB, ESI-MS等）1.2特點(diǎn)：1. 靈敏度高（幾微克甚至更少的樣品，檢出

2、極限可達(dá)10-14克）2. 是唯一可以確定分子式的方法 .3. 分析速度快（幾秒）4. 可同色譜聯(lián)用.第二節(jié)：基本原理2.1基本原理質(zhì)譜是唯一可以確定分子式的方法。而分子式對(duì)推測(cè)結(jié)構(gòu)是至關(guān)重要的。質(zhì)譜法的靈敏度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其 它方法，測(cè)試樣品的用量在不斷降低，而且其分析速度快，還可同具有分離功能的色譜聯(lián)用。具有一定壓力的氣態(tài)有機(jī)分子，在離子源中通過(guò)一定能量（70ev）的電子轟擊或離子分子反應(yīng)等離子化方式，使樣品分子失去一個(gè)電子產(chǎn)生正離子，繼而還可裂解為一系列的碎片離子，然后根據(jù)這些離子的質(zhì)荷比（m/ze）的不同，用磁場(chǎng)或磁場(chǎng)與電場(chǎng)等電磁方法將這些正離子進(jìn)行分離和鑒定。由此可見(jiàn)質(zhì)譜最簡(jiǎn)單形式的三項(xiàng)基

3、本功能是：（1）氣化揮發(fā)度范圍很廣的化合物；（2） 使氣態(tài)分子變?yōu)殡x子（除了在氣化過(guò)程中不產(chǎn)生中性分子而直接產(chǎn)生離子的化合物）；（3）根據(jù)質(zhì)荷比（m/ze）將它們分開(kāi)，并進(jìn)行檢測(cè)、記錄。由于多電荷離子產(chǎn)生的比例比單電荷離子要小得多，通常取z等于1, e為常數(shù)（1個(gè)電子的電荷），因而就表征了離子的質(zhì)量。這樣，質(zhì)譜就成為了產(chǎn)生并稱量離子的裝置。由于各化合物所形成的離子的質(zhì)量以及各種離子的相對(duì)強(qiáng)度都是各化合物所特有的，故可從質(zhì)譜圖形中確定分子量及其結(jié)構(gòu)。（一）電離方式：一般，MS測(cè)定采用電子轟擊法（electron impact ionization，簡(jiǎn)稱EI）,故稱EIMS。它是應(yīng)用最普遍、發(fā)展最

4、成熟的電離方法。測(cè)定EI-MS時(shí)，需要先將樣品加熱氣化，而后才能電離。故容易發(fā)生熱分解的化合物，如醇、糖昔、部分愈酸 等，往往測(cè)不到分子離子峰，看到的只是其碎片峰。而一些 大分子物質(zhì)，如糖的聚合物、肽類等，也因難于氣化而無(wú)法測(cè)定。故近來(lái)多將一些對(duì)熱不穩(wěn)定的樣品，如糖類、醇類等，進(jìn)行乙?；蛉谆柰榛?TMS化），形成對(duì)熱穩(wěn)定性好的揮發(fā)性衍生物后再進(jìn) 行測(cè)定。近二十余年來(lái)，在電離方式的研發(fā)方面取得了巨大成績(jī)，針對(duì)生物大分子等大極性、難氣化、不穩(wěn)定的化合物，開(kāi)發(fā)了多種使樣品不必加熱氣化而直接電離或者防止化合物熱分解的新電離方法（軟電離方法），如：1. 化學(xué)電離（Chemical ionizat

5、ion，簡(jiǎn)稱 CI）2. 場(chǎng)致電離（field ionization,簡(jiǎn)稱 FI）和場(chǎng)解析電離（field desorption ionization，簡(jiǎn)稱 FD）3. 快速原子轟擊電離（fast atom bombardment,簡(jiǎn)稱FAB）4. 基質(zhì)輔助激光解吸電離（ matrix-assisted laser desorption ionization，簡(jiǎn)稱 MALDA ）5.電噴霧電離(electrospray ionization ,簡(jiǎn)稱 ESI)6.大氣壓化學(xué)電離(atmospheric pressure chemical,簡(jiǎn)稱 APCI )等。目的是一方面使質(zhì)譜能顯示出那些不穩(wěn)定

6、、高極性、難氣化、難電離的化合物的分子離子峰，另一方 面通過(guò)檢測(cè)多電荷離子，使質(zhì)量分析器檢測(cè)的質(zhì)量提高幾十倍甚至更高。要注意的是，軟電離方法一般顯 示明顯的準(zhǔn)分子離子峰，如M+H +或M-H +峰、有時(shí)會(huì)出現(xiàn)M+Na+、M+K +峰等，而碎片離子峰往往很少，甚至沒(méi)有。，故可從質(zhì)譜圖形由于各化合物所形成的離子的質(zhì)量以及各種離子的相對(duì)強(qiáng)度都是各化合物所特有的 .理論公式：(1). zV = mv2/2(2) . mv2/R = Hzv v = H zR/m(3) . m/z = H2R2/2V2.2測(cè)定方法三種儀器：1. 單聚焦質(zhì)譜儀：2. 雙聚焦質(zhì)譜儀3. 四極質(zhì)譜儀質(zhì)譜儀的主體為：進(jìn)樣系統(tǒng)，離

7、子源，質(zhì)量分析器和離子檢測(cè)器.2.3質(zhì)譜圖1. 質(zhì)譜圖的表示方法(1) 圖示法(2) 數(shù)據(jù)法2. 質(zhì)譜圖中離子峰的種類(1) 分子離子峰(2) 碎片離子峰(3) 同位素峰(4) 亞穩(wěn)離子峰(5) 多電荷離子峰第三節(jié).分子量和分子式的確定3.1分子量的確定從理論上講，除同位素峰外，分子離子峰(Molecular Ion, M +.)呈現(xiàn)在譜圖中的最高質(zhì)量位置。但當(dāng)分子離子不穩(wěn)定時(shí)，可能導(dǎo)致分子離子峰不在譜圖中出現(xiàn)，或生成大于或小于分子離子質(zhì)量的(M+H)+、(M-H) +或(M+Na) +峰等。M + e r M + . + 2e對(duì)于純化合物而言，判斷分子離子峰時(shí)應(yīng)注意：1. 峰的強(qiáng)度分子離子峰

8、的強(qiáng)度依賴于分子離子的穩(wěn)定性 。當(dāng)分子具有大的共軸體系時(shí)，其穩(wěn)定性高 ；其次是有雙 鍵的化合物的分子離子穩(wěn)定性較高；環(huán)狀結(jié)構(gòu)因斷裂一個(gè)鍵后仍未改變質(zhì)量，其分子離子峰也強(qiáng)；支鏈越多，分子離子越不穩(wěn)定；雜原子攜帶正電荷的能力按周期表自上而下的位置依次增強(qiáng)，因而硫醇和硫醍的分子離子比醇和醍穩(wěn)定.通常有機(jī)化合物在質(zhì)譜中表現(xiàn)的穩(wěn)定性有以下次序：芳香環(huán) >脂環(huán) > 硫醍、硫酮 > 共軸烯 > 直鏈碳?xì)浠衔?> 賽基化合物 > 醍 > 胺 >支鏈炷 > 晴> 伯醇 > 仲醇 >叔醇 > 縮醛.2. 氮規(guī)則(Nitrogen Ru

9、le)對(duì)于只含有C、H、O、N的有機(jī)化合物，若其分子中不含氮原子或含有偶數(shù)個(gè)氮原子，則其分子量為 偶數(shù)；若其分子中含有奇數(shù)個(gè)氮原子，則其分子量為奇數(shù)。凡是奇電子離子(包括碎片離子)都符合氮規(guī)則，而偶電子離子則剛剛相反。3. 中性碎片(小分子及自由基)的丟失是否合理如一般由M+.減去414個(gè)質(zhì)量單位或減去 21- 25個(gè)質(zhì)量單位是不可能的。4. 可采用軟電離方法驗(yàn)證a. 降低電子束能量。b. 降低樣品加熱溫度。c. 擴(kuò)散法。d. (M+H)+峰的判別。e. 軟電離方法：場(chǎng)電離(FI)、場(chǎng)解吸(FD)、化學(xué)電離(CI)、解吸化學(xué)電離(DCI)、快原子轟擊(FAB )、 電噴霧電離(ESI)等軟電離

10、方法一般顯示明顯的準(zhǔn)分子離子峰，如 M+H +或M-H +峰、有時(shí)會(huì)出現(xiàn)M+Na+、M+K +峰 等，而碎片離子峰往往很少，甚至沒(méi)有。3. 2,分子式測(cè)定1. 同位素豐度法貝農(nóng)(Beynon)表分子式測(cè)定可采用同位素豐度法 貝農(nóng)(Beynon)表,但此法對(duì)分子量大或結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不穩(wěn)定的化合 物是不適用的。現(xiàn)在一般都采用高分辨質(zhì)譜法測(cè)定，可直接顯示可能分子式及可能率。若測(cè)出的分子量數(shù) 據(jù)與按推測(cè)的分子式計(jì)算出的分子量數(shù)據(jù)相差很小(與儀器精密度有關(guān)，一般小于0.003)，則可認(rèn)為推測(cè)可信的。表：有機(jī)化合物常見(jiàn)元素同位素及其豐度12C(100%), 13C(1.08%);1H(100%), 2H(0.

11、016%);16O(100%), 170(0.04%), 18O(0.20%);14N(100%), 15N(0.37%);32 一33 一34 一35 一37 -S(100%), S(0.80%), S(4.60%);Cl(100%), Cl(32.5%);79Br(100%), 81Br(98.0%).例 1.某化合物的質(zhì)譜圖上顯示 M+. m/z 150 100%)、M+1 + m/z 151( 10.2%)、M+2 + m/z 152(0.88%)。 試推斷其分子式。例 2 .某化合物的質(zhì)譜圖上顯示M+. m/z 151( 100%)、M+1 + m/z 152(9.5%)、M+2 +

12、 m/z 153(32.1%)。 試推斷其分子式。例 3.某化合物的質(zhì)譜圖上顯示 M+. m/z 206 (25.90%)、M+1 + m/z 207 (3.24%)、M+2 + m/z 208 (2.48%)。試推斷其分子式。(1 答案：C9H10O2) ; (2 答案：C8H6NCI) ; (3 答案：C10H22S2)1. 高分辨質(zhì)譜法：(1) 質(zhì)譜儀的電腦軟件直接顯示可能分子式及可能率 .(2) 若測(cè)出的分子量數(shù)據(jù)與按推測(cè)的分子式計(jì)算出的分子量數(shù)據(jù)相差很小(與儀器精密度有關(guān)，一般小于0.003),則推測(cè)可信.第四節(jié) 電子轟擊電離過(guò)程1.電離：ABC + e- r ABC+ +2e-AB

13、C + e- ABCn+ + (n+1) e2。碎裂：ABC + + e- r A+ + BC (AB + C 或 A + BC+ )簡(jiǎn)單斷裂ABC + + e- r AC+ + B重排3。分子-離子反應(yīng)ABC+ + ABC r ABCABC 締合ABC+ + ABC 7 ABCA + BC原子或基團(tuán)剝奪4。共振俘獲：-ABC + e t ABC5。離解共振俘獲：ABC + e- t AB- + C6。生成離子偶：ABC+ + e- t AB+ + C - + e-目前，大多數(shù)質(zhì)譜儀的分析數(shù)據(jù)取自正離子。第五節(jié)離子碎裂機(jī)理5. 1電荷-自由基定域假說(shuō)(Charge Localization )

14、1940 年，Cummings1967 年，Mclafferty and Djerassi5. 2有機(jī)質(zhì)譜裂解的機(jī)理：由質(zhì)譜數(shù)據(jù)推導(dǎo)有機(jī)物分子結(jié)構(gòu)的過(guò)程，可以說(shuō)是由碎片離子拼湊原有機(jī)分子的過(guò)程，為了使拼湊工作順利，推導(dǎo)出的分子結(jié)構(gòu)正確，當(dāng)然應(yīng)了解質(zhì)譜裂解機(jī)理。在質(zhì)譜中，分子氣相裂解反應(yīng)主要分為兩大類：即自由基中心引發(fā)的裂解和 電荷中心引發(fā)的裂解。1.游離基中心引發(fā)的裂解這類斷裂反應(yīng)也稱為a裂解，是最重要的一種裂解機(jī)制。可用通式表示如下：R - CR2- YR+A R. +CR2=YR在質(zhì)譜反應(yīng)中，單電子轉(zhuǎn)移用魚(yú)鉤"> ”表示，雙電子轉(zhuǎn)移用箭頭“”表示。如醇和醍:R - CH2-

15、 OR+A R. +CH2 = OR同樣的，硫醇和硫醍:/+R. + CH 2 = SR+ R- CH2- NRA R. +CH2 = NR雜原子對(duì)正電荷離子有致穩(wěn)作用，且隨雜原子的電負(fù)性的降低，致穩(wěn)作用增強(qiáng)，即N>S>O>鹵素。因此，如果同一分子中有兩種不同雜原子的官能團(tuán)，究竟哪一種官能團(tuán)優(yōu)先支配裂解，將遵循上述順序。例 如下圖中（1）為優(yōu)勢(shì)裂解：H2C-OHnh2 CH2 + CH2OH+NH2-CH2 + CH3+ OHNH2含有段基的化合物，如醛、酮、酯等也易發(fā)生 a裂解，如:C - R II +O* R. + C- RIII O +含烯丙基的炷類也發(fā)生a裂解,+A

16、R. + CH2 = CH - CH 2丙烯基離子中，正電荷與雙鍵 J!電子共軸而穩(wěn)定，所以這類裂解容易發(fā)生，相應(yīng)碎片離子豐度較強(qiáng)含炷基側(cè)鏈的芳炷也有類似烯丙基結(jié)構(gòu)，所以也易發(fā)生這類a裂解，如:節(jié)基離子與離子共軸而致穩(wěn):電荷中心引發(fā)的裂解電荷中心引發(fā)的裂解又稱誘導(dǎo)裂解。用 i表示。一般講，i裂解的重要性小于a裂解，但兩者是相互競(jìng) 爭(zhēng)的反應(yīng)。i裂解通式如下：奇電子離子OE+: RYR R. +YR+ RC=Y例如C2H5OC2H5C2H5 + OC2H5R OH C 2 H 5+ +C 2h 5 - C = Oee+ :r#H2 二 R+ + yrR+ + Y=CH2例如:進(jìn)行i裂解的順序?yàn)辂u素

17、>O>S>N。因此N一般進(jìn)行a裂解，鹵素則易進(jìn)行i裂解。（3）游離基中心引發(fā)的重排在質(zhì)譜中往往出現(xiàn)一些特定重排反應(yīng)， 產(chǎn)生的離子豐度高。這些重排特征離子對(duì)推導(dǎo)分子結(jié)構(gòu)很有 啟示作用。最常見(jiàn)的這類重排是麥克拉夫悌重排（Mclafferty rearrangement） o它是由游離基中心引發(fā)，涉及到t -H轉(zhuǎn)移重排，所以又叫t -H重排。它有兩種類型：a. t -H重排到不飽和基團(tuán)上，伴隨發(fā)生a裂解，電荷保留在原來(lái)的位置上b： t -H重排到不飽和基團(tuán)上，伴隨發(fā)生 6裂解（i裂解），電荷發(fā)生轉(zhuǎn)移。同一個(gè)分子離子既可發(fā)生（1）型裂解，也可發(fā)生（2）型裂解。究竟哪種類型占優(yōu)勢(shì)，由分

18、子中取代基決定。只有t -H轉(zhuǎn)移而不是a -H或（:-H轉(zhuǎn)移，這是因?yàn)閠 -H剛好合適能量低的六兀環(huán)過(guò)渡態(tài)R= CH 3, 40%R= C6H5, 5%R= CH 3 (I= 9.8), 5%R= C6H5 (I= 8.2), 100%上式中，Y=O的醛、酮、短酸、短酸酯、酰胺、硫酸酯只要有 t -H,均易發(fā)生這種重排裂解；Y=N的蹤、肪、亞胺以及磷酸酯、亞硫酸酯也易發(fā)生這類重排裂解。此外，不含雜原子的炷和烷基苯也能發(fā)生。如：H3C,N(CH3)2H3CH+.,N(CH 3)2m/z 85, 100%; m/z 86, 90%C2H5m/z 91, 100%; m/z 92, 60%(4)電荷

19、中心引發(fā)的重排這種重排發(fā)生在偶電子離子(EE+)中，通式如下:在奇電子離子中發(fā)生的這種重排，是酯、硫酯、酰胺和磷酸酯的特征:+O HHO RHO R(5)其他裂解反應(yīng)前面概括地?cái)⑹隽速|(zhì)譜中常見(jiàn)的四種類型裂解反應(yīng)，除此以外，尚有一些裂解反應(yīng)是值得注意的，如：a.逆狄爾斯-阿爾德裂解狄爾斯-阿爾德反應(yīng)是由一個(gè)共軸雙烯和一個(gè)單烯分子合并成一個(gè)六員環(huán)單烯。而在質(zhì)譜中由一個(gè)六員環(huán)單烯可裂解成為一個(gè)共軸雙烯和一個(gè)單烯碎片離子，所以這種裂解被稱為逆狄爾斯-阿爾德裂解(retro-Diels-Alder fragmentation ).pR= C6H 5,0.4%R=H, <5% r=C6H 5<

20、100%b. b鍵裂解b鍵在電離時(shí)失去一個(gè)電子，則斷裂往往在這個(gè)位置發(fā)生。在烷炷中，高取代的原子由于支鏈炷基 的超共軸致穩(wěn)效應(yīng)，使該碳原子更易電離而開(kāi)裂，這種裂解用b表示。(C H3) 3c _ CH2CH3 - e A (C H3) 3C+.CH2CH3(C HJ 3C+ + .CH2CH3 100%c. 置換裂解(rd)分子內(nèi)部?jī)蓚€(gè)原子或基團(tuán)(常常是帶游離基中心的)能夠互相作用，形成一個(gè)新鍵，同時(shí)其中一個(gè)基團(tuán)(或兩者)的另一鍵斷裂，如1-鹵化(氯或漠化)烷中最強(qiáng)峰就是由該裂解反應(yīng)形成，該反應(yīng)稱為t位置換裂解，以rd表示。R. +(6)影響離子豐度的因素上面提到的這些特定裂解反應(yīng)和重排反應(yīng)往

21、往產(chǎn)生相對(duì)豐度較強(qiáng)的離子。另外還有一些因素影響著離 子的豐度，如：a.產(chǎn)物離子的穩(wěn)定性影響離子穩(wěn)定性最重要的因素是共鮑效應(yīng)，有共鮑結(jié)構(gòu)的體系，由于共鮑效應(yīng)穩(wěn)定性較大，因而豐度 也就較高，如：一一一+-C H - CO3一一一 -+C H - C = O3+ch2-ch=ch2 ，* ch2=ch-ch2烯丙基離子OCH2節(jié)基離子b. Stevenson 規(guī)則奇電子離子的單鍵斷裂產(chǎn)生兩組離子和游離基產(chǎn)物:.BCDBCD +這兩組產(chǎn)物中哪組占優(yōu)勢(shì)由成概率。這一規(guī)則稱為 Stevenson規(guī)則。A+和BCD+兩種離子的電離能(I)值決定，I值較低的離子有較高的形c.最大烷基的丟失在反應(yīng)中心最大烷基最

22、易丟失，這是一個(gè)普遍傾向。丟失的烷自由基因超共鮑效應(yīng)致穩(wěn)。烷基越大,分支越多，致穩(wěn)效果越好，因而裂去后剩下的離子豐度也越高穩(wěn)定性:離子強(qiáng)度：C4H9 . >C2H5 - >CH3 >H -+CH3C 2 H 5C H 一C 4 H 9CHqCHq1 3 3C2H5CH >+ CHC4H9+> c2h5chc4h9沌3> c2h5cc4h9+d. 穩(wěn)te中性碎片的丟失凡裂解的中性自由基如有共軸效應(yīng)而致穩(wěn)，如上面提到的烯丙基分支烷基等，則易丟失，丟失它們后形成的離子相對(duì)豐度也較高，易于丟失中性小分子，穩(wěn)定性也較高，易于丟失如H2, CH4, H2O, C2H4C

23、O, NO, CH3OH, H2S, HCl, CH2 = C = O 和 CO2 等。例1 .某化合物分子式為C4H8O,其MC圖如下，試推斷其結(jié)構(gòu)M(72) 100%M+l(73)4.7%M+2(74)0. 3%2040 SO 8。例2.某化合物的分子式為C8H16O，質(zhì)譜數(shù)據(jù)如下，推斷化合物結(jié)構(gòu)例3.某化合物的質(zhì)譜數(shù)據(jù)如下，推斷化合物結(jié)構(gòu).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.某化合物結(jié)構(gòu)見(jiàn)下圖，并有如下質(zhì)譜數(shù)據(jù)，試用質(zhì)譜證實(shí)其結(jié)構(gòu)