有機波譜分析課件：第六章 質(zhì)譜1

1、第六章 質(zhì)譜有機波譜分析學習要求： 1、掌握質(zhì)譜儀的工作原理、質(zhì)譜儀的基本結(jié)構 2、掌握質(zhì)譜圖、分子離子峰、碎片離子峰、亞穩(wěn)離子峰、同位素離子峰的基本概念 3、了解質(zhì)譜圖、質(zhì)譜表、分子離子峰、碎片離子峰、亞穩(wěn)離子峰、同位素離子峰的應用 分子質(zhì)量精確測定是化合物結(jié)構分析的重要工具。 1912年出現(xiàn)第一臺質(zhì)譜儀，可用于原子質(zhì)量、同位素相對豐度的測定。 40年代出現(xiàn)高分辨率質(zhì)譜儀，可用于有機化合物結(jié)構分析。 60年代末出現(xiàn)了色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀，可用于有機混合物分離分析，促進天然有機化合物結(jié)構分析的發(fā)展。 低分辯質(zhì)譜可以確定分子和碎片離子的整數(shù)質(zhì)量，同時顯示出相應同位素離子的相對豐度。在分子離子峰相當強

2、的情況下，根據(jù)同位素的相對豐度能夠估計可能的分子式。同理，也可以估計某些碎片的離子的元素組成，結(jié)合對分子斷裂規(guī)律的分析，可以得到有機化合物骨架結(jié)構的啟示和官能團存在的信息。有機質(zhì)譜儀按其性能可分為低分辯和高分辯兩種。 再由高分辯質(zhì)譜給出的精確相對分子質(zhì)量和碎片離子質(zhì)量，可以計算出該化合物的分子式和碎片離子的元素組成，為結(jié)構式的推斷提供很大方便。 有機質(zhì)譜在化合物結(jié)構鑒定中起著重要作用，與紅外、紫外、核磁同為有機結(jié)構鑒定的四大分析工具。質(zhì)譜方法以其高靈敏度、高分辨率和分析速度快而居于特別重要的地位，通常只需要微克級甚至更少的樣品即可得到很好的、可供結(jié)構鑒定的質(zhì)譜圖，一次分析僅需幾秒，甚至不到一秒

3、的時間即可完成。 第一節(jié) 基本原理與質(zhì)譜儀一、質(zhì)譜儀 質(zhì)譜儀需要在高真空下工作：離子源(10-3 10-5 Pa)；質(zhì)量分析器(10-6 Pa)。 原因：大量氧會燒壞離子源的燈絲；用作加速離子的幾千伏高壓會引起放電；引起額外的離子-分子反應，改變裂解模型，譜圖復雜化結(jié)構原理圖：1、進樣系統(tǒng) 進樣系統(tǒng)的作用是將待測物質(zhì)（即試樣）送進離子源。一般有直接進樣、間接進樣、色譜進樣三種方式： 直接進樣高沸點的試液、固體試樣可用探針或直接進樣器送入離子源，調(diào)節(jié)溫度使試樣氣化 間接進樣一般氣體或易揮發(fā)試樣 色譜進樣色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀器中，經(jīng)色譜分離的組分通過接口元件直接導入離子源。2、離子源 離子源是質(zhì)譜儀的

4、心臟部分，最早使用的電子轟擊離子源（electron impact sourse, EI）。至今仍是使用最廣泛的最重要的離子源。 它具有如下特點：電離效率高,靈敏度高；應用最廣，標準質(zhì)譜圖基本都是采用EI源得到的；穩(wěn)定，操作方便，電子流強度可精密控制；結(jié)構簡單，控溫方便； 除了電子轟擊離子源外，還有化學電離源(Chemical Ionization，CI)、場致電離源(Field Ionization，F(xiàn)I)。3、質(zhì)量分析器質(zhì)譜儀的主體 質(zhì)量分析器的作用是將離子源產(chǎn)生的離子按照質(zhì)荷比 m / z 的大小分離，使符合條件的離子飛過分析器，不符合條件的離子即被過濾掉 常見的有單聚焦質(zhì)量分析器，雙聚

5、焦質(zhì)量分析器和四極濾質(zhì)器等（1） 單聚焦質(zhì)量分析器加速后離子的動能 :(1/2)m 2= e V， = (2V)/(m/e)1/2 在磁場存在下，帶電離子按曲線軌跡飛行；離心力 =向心力；m 2 / R= H0 e ；曲率半徑： R= （m ）/ e H0 ；質(zhì)譜方程式：m/e = (H02 R2) / 2V；離子在磁場中的軌道半徑R取決于： m/e 、 H0 、 V；改變加速電壓V, 可以使不同m/e 的離子進入檢測器。質(zhì)譜分辨率 = M / M （分辨率與選定分子質(zhì)量有關） 若固定加速電壓V，連續(xù)改變磁場強度H，稱為磁場掃描 m / z H2 若固定磁場強度H，連續(xù)改變加速電壓V，稱為電場

6、掃描 m / z 1/V 常用的為磁場掃描，無論什么掃描，m / z 相同的離子匯聚成離子束，即方向聚焦離子的m/z大，偏轉(zhuǎn)半徑也大，通過磁場可以把不同離子分開 在一定加速電壓U，改變磁場強度B下，或在一定磁場強度B下，連續(xù)改變加速電壓U，可以使不同離子先后通過檢測器，實現(xiàn)質(zhì)量掃描，得到質(zhì)譜。 單聚焦質(zhì)量分析器結(jié)構簡單，操作方便，但分辨率低（2）雙聚焦質(zhì)量分析器 高分辨率質(zhì)譜儀一般采用雙聚焦質(zhì)量分析器 單聚焦質(zhì)量分析器中離子源產(chǎn)生的離子在進入加速電場前，其初始能量并不為零，能量各不相同，最后不能全部聚焦在檢測器上，使儀器分辨率低，使用雙聚焦質(zhì)量分析器可解決離子能量分散的問題靜電場磁場結(jié)構：磁場

7、 電場原理：能量聚焦 方向聚焦 磁偏轉(zhuǎn)特點：高分辨率 操作復雜 雙聚焦質(zhì)量分析器是指同時實現(xiàn)方向聚焦和能量（速度）聚焦。將一靜電場分析器置于離子源和磁場之間。靜電分析器是由恒定電場下的一個固定半徑的管道構成。加速的離子束進入靜電場后，只有動能與其曲率半徑相應的離子才能通過狹縫2 進入磁場。在進行方向聚焦之前，實現(xiàn)了能量（或速度）上的聚焦，大大提高分辨率（3）四極濾質(zhì)器 四極濾質(zhì)器由四根平行的金屬桿組成，其排布見左圖所示。被加速的離子束穿過對準四根極桿之間空間的準直小孔。通過在四極上加上直流電壓U和射頻電壓Urf，在極間形成一個射頻場，離子進入此射頻場后，會受到電場力作用，只有合適m/z 的離子

8、才會通過穩(wěn)定的振蕩進人檢測器。 只要改變U和Urf并保持U/ Urf比值恒定時，可以實現(xiàn)不同m/z的檢測。4、檢測器 最主要的檢測器是電子倍增管，它可以測出10-17A微弱電流。如果電流更微弱，則需采用渠道式電子倍增器陣列，它可以使電流放大。m / z值273951相對強度三、質(zhì)譜的表示方法在質(zhì)譜分析中，質(zhì)譜的表示方法有條圖和表格形式： 圖5-2是一張條圖，又稱質(zhì)譜圖。以質(zhì)荷比m/z 為橫坐標，離子相對強度為縱坐標，相對強度是把原始質(zhì)譜圖上最強的離子峰定為基峰，規(guī)定其相對強度為100%，其它離子峰以對基峰的相對百分值表示，由質(zhì)譜圖很直觀地觀察整個分子的質(zhì)譜信息。 表5-1是用表格形式表示質(zhì)譜數(shù)

9、據(jù)，由質(zhì)譜表可準確地給出m/z值及相對強度。第二節(jié) 質(zhì)譜中主要離子峰 從質(zhì)譜圖上可看到許多離子峰，這些峰的m/z和相對強度取決于分子結(jié)構，還與儀器類型，實驗條件有關。質(zhì)譜中出現(xiàn)離子峰，歸納起來有以下幾種：分子離子峰，碎片離子峰，同位素離子峰，重排離子峰及亞穩(wěn)離子峰等。 一、分子離子峰 分子受電子束轟擊后失去一個電子而形成的離子 稱分子離子峰分子分子離子 由 所形成的峰稱為分子離子峰。因此，分子離子峰的m/z的數(shù)值就是該化合物的相對分子質(zhì)量Mr。是有機化合物的重要質(zhì)譜數(shù)據(jù)分子離子峰若能出現(xiàn)，應位于質(zhì)譜圖的右端。 幾乎所有的有機分子都可以產(chǎn)生可以辨認的分子離子峰。有些分子如芳香環(huán)分子可產(chǎn)生較大的分

10、子離子峰，而高分子量的脂肪醇、醚及胺等則產(chǎn)生較小的分子離子峰。若不考慮同位素的影響，分子離子應該具有最高質(zhì)量。 其相對強弱隨化合物結(jié)構而變化，其強弱順序一般為芳環(huán) 共軛多烯 烯 環(huán)狀化合物 羰基化合物 醚 酯 胺 酸 醇 高度分支的烴類。分子離子峰的強弱也與實驗條件有關。1、分子離子峰的特點 一般質(zhì)譜圖上質(zhì)荷比最大的峰為分子離子峰；但有例外，由穩(wěn)定性判斷。形成分子離子需要的能量最低，一般約10電子伏特。2、分子離子的判斷（1） 規(guī)律 由C，H，O 組成的有機化合物，M 一定是偶數(shù)；由C，H，O，N 組成的有機化合物，N 奇數(shù)，M 奇數(shù)；由C，H，O，N 組成的有機化合物，N 偶數(shù)，M 偶數(shù)。（

11、2）質(zhì)量差是否合理分子離子峰與相鄰峰的質(zhì)量差必須合理3、分子離子的獲得（1）制備揮發(fā)性衍生物（2）降低電離電壓，增加進樣量（3）降低氣化溫度（4）采用軟電離技術4、分子離子峰強度與結(jié)構的關系二、碎片離子峰 當轟擊電子的能量超過分子離子電離所需的能量時（約為5070eV），使分子離子的化學鍵進一步斷裂，產(chǎn)生質(zhì)量數(shù)較低的碎片，稱為碎片離子，在質(zhì)譜圖上相應的峰，稱為碎片離子峰。 碎片離子峰在質(zhì)譜圖上位于分子離子峰的左側(cè)。 一般有機化合物的電離能為713電子伏特，質(zhì)譜中常用的電離電壓為70電子伏特，使結(jié)構裂解，產(chǎn)生各種“碎片”離子。 分子的斷裂即產(chǎn)生什么樣的碎片離子與分子結(jié)構有密切的關系。 通常根據(jù)主

12、要碎片離子峰及相對強度為推測分子結(jié)構提供參考信息。 常見離子碎片的質(zhì)量：三、同位素離子峰（M+1峰）1、同位素離子峰 除P、F、I外，組成有機化合物的常見的十幾種元素中C、H、O、N、S、Cl、Br等都有同位素，因而在質(zhì)譜圖中會出現(xiàn)不同質(zhì)量的同位素形成的峰，稱為同位素離子峰。 由于同位素的存在，可以看到比分子離子峰大一個質(zhì)量單位的峰；有時還可以觀察到M+2，M+3例如：CH4 M=1612C + 1H4=16（M）13C + 1H4=17（M+1） 12C + 2H + 1H3=17（M+1）13C + 2H + 1H3=18（M+2）例：某化合物的質(zhì)譜數(shù)據(jù)如下，試確定該化合物的化學式m/z

13、M(150) M+1(151) M+2(152）與M強度比% 100 9.9 0.9 (M+2)/M強度百分比為0.9%，M+2強度弱，說明不含Cl、Br、S；查閱Beynon表，相對分子質(zhì)量為150的化學式共有29個，其中M+1峰的強度百分比在9%11%的化學式共有七種： 化學式 (M+1)/M % (M+2)/M % C7H10N4 9.25 0.38 C8H8NO2 9.23 0.78 C8H10N2O 9.61 0.61 C8H12N3 9.98 0.45 C9H10O2 9.96 0.84 C9H12NO 10.34 0.68 C9H14N2 10.71 0.52解：根據(jù)分子離子的質(zhì)

14、荷比，得知其相對分子質(zhì)量為150 利用氮規(guī)律，M相對分子質(zhì)量為150,偶數(shù)，N應為偶數(shù)、排除，剩下、。 式中峰的強度百分比9.96%與9.9%最接近，強度比0.84%與0.9%也最接近。所以該化合物的化學式應該為C9H10O22、氯、溴元素的識別和數(shù)量的確定 氯的同位素的比值接近3：1，溴的同位素的比值接近1：1，它們存在從質(zhì)譜圖中很容易識別。 碘代烴、多氯代烴和多溴代烴經(jīng)常沒有分子離子峰，氟代烴經(jīng)常有分子離子峰。氯代烴和溴代烴的質(zhì)譜圖中經(jīng)常有豐度較大的M+2峰。 如分子中含有兩個氯或兩個溴的化合物質(zhì)譜圖比較復雜，還會出現(xiàn)M+4、M+6的峰。 含有多個相同的鹵素同位素的相對豐度可按下式計算：（

15、a + b）n；含有兩種多個同位素時，各同位素峰的相對豐度按二項式展開乘積計算：(a + b)n(c + d)m a為甲元素輕同位素的天然豐度；b為甲元素重同位素的天然豐度；n為甲元素在分子中的原子數(shù)3、分子中硫元子存在識別和數(shù)量的確定 34S的豐度為32S的4.42，所以在沒有氯、溴原子存在的分子中，在M+2位置觀察到大于4.42的相對豐度時，就可以認為有硫元素的存在。四、重排離子峰 分子離子在裂解成碎片時，某些原子或基團重新排列或轉(zhuǎn)移而形成的離子，稱為重排離子，質(zhì)譜圖上相應的峰為重排離子峰。 重排的類型很多，其中最重要的是麥氏重排。可發(fā)生麥氏重排的化合物有：酮，醛，酸，酯等。麥氏重排條件：

16、 含有C=O， C=N，C=S及碳碳雙鍵 與雙鍵相連的鏈上有 碳，并在 碳上有H原子（氫） H 轉(zhuǎn)移到雜原子上，同時 鍵發(fā)生斷裂，生成一個中性分子和一個自由基陽離子 位上轉(zhuǎn)移H到O原子上，鍵斷裂 一般亞穩(wěn)離子峰的峰形寬而矮小。m/z為非整數(shù)。五、亞穩(wěn)離子峰 離子在離開離子源到達質(zhì)量分析器之前這一段無場飛行時發(fā)生裂解形成低質(zhì)量的離子（由m1變成m2）所產(chǎn)生的峰，稱為亞穩(wěn)離子峰。 這類離子具有質(zhì)量為m1離子的速度, m2的質(zhì)量。這類離子峰將不出現(xiàn)在m/z = m2處，而是出現(xiàn)在m/z=m*處，由下式計算第三節(jié) 有機分子裂解類型一、 有機分子的裂解 當有機化合物蒸氣分子進入離子源受到電子轟擊時，按下

17、列方式形成各種類型離子：ABCD + e - ABCD+ (分子離子) + 2e -例如，正己烷：1、斷裂2、斷裂斷裂丟失最大烴基的可能性最大3、開裂4、重排斷裂 麥氏重排(Mclafferty rearrangement)：含有C=O， C=N，C=S及碳碳雙鍵；與雙鍵相連的鏈上有碳，并在 碳有H原子(氫)；六元環(huán)過度，H 轉(zhuǎn)移到雜原子上，同時 鍵發(fā)生斷裂，生成一個中性分子和一個自由基陽離子分子碎片重排后再次裂解：例如下面化合物：裂解機理：第四節(jié) 有機質(zhì)譜解析一、飽合烴的質(zhì)譜圖 直鏈烷烴的分子離子峰（M+）較弱，支鏈烷烴的分子離子峰很弱，環(huán)烷烴的分子離子峰的強度中等。 直鏈和支鏈烷烴中都會出

18、現(xiàn)14n1等一系列碎片 環(huán)烷烴中會出現(xiàn)14n1的碎片1、直鏈烷烴例如：正癸烷和正十六烷有m/z ：29，43，57，71，CnH2n+1 系列峰(-斷裂)有m/z ：27，41，55，69，CnH2n-1系列峰有m/z ：28，42，56，70，CnH2n系列峰(重排環(huán)狀)2、支鏈烷烴3、環(huán)烷烴二、烯烴和炔烴 烯烴的分子離子峰的強度中等，炔烴的分子離子峰較弱，1炔烴經(jīng)常沒有分子離子峰。三、芳烴的質(zhì)譜圖 芳烴的分子離子峰強度較大，常為基峰，碎片中常有39、5053、6365、7578等。四、醇和酚的質(zhì)譜圖五、醚的質(zhì)譜圖五、醛、酮的質(zhì)譜圖七、其他化合物的質(zhì)譜圖結(jié)構未知（C6H12O，酮） 解析：1

19、00，分子離子峰；85，失去CH3（15）的產(chǎn)物；57, 豐度最大, 穩(wěn)定結(jié)構，失去CO(28)后的產(chǎn)物第五節(jié) 質(zhì)譜分析法應用 通過解析質(zhì)譜圖，可以判斷化合物的相對分子質(zhì)量、確定化學式和結(jié)構式。通常已知化合物的質(zhì)譜解析比較容易，而未知物的質(zhì)譜解析比較困難。一、相對分子質(zhì)量的測定 利用分子離子峰的m/z可準確地確定該化合物的相對分子質(zhì)量。一般來說，除同位素峰外，分子離子峰一定是質(zhì)譜圖上質(zhì)量數(shù)最大的峰，位于質(zhì)譜圖的最右端，但是，某些化合物的分子離子峰穩(wěn)定性差，分子離子峰很弱或不存在，全部為碎片離子峰，給判斷分子離子峰帶來困難，在判斷分子離子峰時應注意以下問題：1、分子離子峰必須符合氮數(shù)規(guī)律 組成有

20、機化合物的主要元素C、H、O、N、S、X中，只有N的化合價為奇數(shù)，而質(zhì)量數(shù)為偶數(shù)(14)。氮規(guī)律： （1）含有偶數(shù)（包括零）N時，其分子離子峰的m/z一定是偶數(shù)。 （2）含有奇數(shù)N原子時，其分子離子峰的m/z一定是奇數(shù)。凡不符合氮規(guī)律的離子峰一定不是分子離子峰2、利用碎片的合理性判斷離子峰 有機化合物受到電子轟擊后，分子離子可以裂解出游離基或中性分子等碎片，若裂解出 一個H，兩個 H，或 CH3、H2O、C2H4等碎體。對應的碎片峰為m-1、m-2、m-15、m-18、m-28等，這些是合理的碎片峰。 若分子離子峰與鄰近離子峰的質(zhì)量差為413，2125等為不合理。 3、當化合物中含S、Br、C

21、l時，可利用M與M+2峰的比例來確定分子離子峰 35Cl、 79Br、 32S的同位素37Cl、 81Br、 34S相對豐度較大分別為：75.77，50.537，95.00； 24.33，49.463，4.22。M+2的同位素峰十分明顯。通過M和M+2峰的比例來確認。 例：若分子中含一個氯原子，M和M+2強度比為31；若分子中含一個溴原子，M和M+2強度比為114、分子離子穩(wěn)定性規(guī)律 一般情況，碳數(shù)較多，碳鏈較長和有支鏈的分子，分裂的可能性較大。分子離子的穩(wěn)定性差。而有鍵的芳香族化合物和共軛鏈烯的分子離子穩(wěn)定,分子離子峰大.當分子離子峰出現(xiàn)為基峰時,該化合物一般都是芳環(huán)、雜環(huán)或共軛多烯；當分子

22、離子峰很弱或不出現(xiàn)時, 該化合物一般是醇類化合物5、由分子離子峰的強度變化判斷分子離子峰 適當降低電子轟擊電壓，分子離子裂解減少，分子離子峰強度應增加，若不增加，說明不是分子離子峰。 逐步降低電子轟擊電壓，仔細觀察m/z最大峰是否在所有離子峰中最后消失，若最后消失為分子離子峰。二、化學式的確定 一般是通過同位素峰相對強度來確定有機化合物的分子式。C、H、O、N等元素具有一定天然豐度的同位素，從質(zhì)譜圖上測得分子離子峰，同位素M+1和M+2的相對強度。計算（M+1）/M和（M+2）/M強度百分比，根據(jù)Beynon質(zhì)譜數(shù)據(jù)表查出可能的化學式，再結(jié)合其它規(guī)律，確定化合物的化學式.三、結(jié)構式的確定解析與

23、鑒定的程序： 1、確定化合物的相對分子質(zhì)量及分子式，計算不飽和度，確定化合物中雙鍵和環(huán)的數(shù)目。 2、根據(jù)分子離子峰和高質(zhì)量碎片離子峰之間的m/z差值，找到分子離子可能脫掉的中性分子或自由基，推導分子結(jié)構類型。 3、根據(jù)質(zhì)譜中重要的碎片離子峰，結(jié)合分子離子的斷裂規(guī)律及重排反應，確定結(jié)構碎片。 4、若有亞穩(wěn)離子峰，利用m*=m22/m1關系式，找到m1和m2推斷出m1到m2的斷裂過程。 5、按各種可能的方式，連接已知的結(jié)構碎片及剩余的結(jié)構碎片，排除不可能的結(jié)構式，確定可能的結(jié)構式。 6、結(jié)合紅外，紫外，核磁共振等分子結(jié)構的信息，最終確定分子結(jié)構。 在解析有機化合物結(jié)構時，常常將質(zhì)譜圖或數(shù)據(jù)與標準圖譜進行對照，以校對化合物的結(jié)構。常用的標準譜集：Eight Peak Index of Mass Spectra. 由Mass Spectrometry Data Center出版