有機質譜解析

1、有機質譜解析第一章 導論第一節(jié) 引言質譜，即質量的譜圖，物質的分子在高真空下，經物理作用或化學反應等途徑形成 帶電粒子，某些帶電粒了可進一步斷裂。如用電子轟擊有機化合物（M），使其產生離 子的過程如下：分福子游離基離子每一離子的質量及所帶電荷的比稱為質荷*（m/z，曾用m/e）。不同質荷比的離子經 質量分離器一一分離后，由檢測器測定每一離子的質荷比及相對強度，由此得出的譜圖 稱為質譜質譜分析中常用術語和縮寫式如下：游離基陽離子，奇電子離子（例如CH4 ）*（全箭頭）電子對轉移（魚 鉤）單個電子轉移a斷裂；及奇電子原子鄰接原子的鍵斷裂（不是它們間的鍵斷裂）“A”元素只有一種同位素的元素（氫也歸入

2、小”元素）?！癆+1”元素某種元素，它只含有比最高豐度同位素高1amu的同位素?！癆+2”元素某種元素，它含有比最高豐度同位素高2 amu的同位素。A峰元素組成只含有最高豐度同位素的質譜峰。A+1峰比A峰高一個質量單位的峰。分子離子（M ）失去一個電荷形成的離子，其質荷比相當于該分子的分子量。碎片離子：分子或分子離子裂解產生的離子。包括正離子（A+）及游離基離子（A+.）。 同位素離子：元素組成中含有非最高天然豐度同位素的離子。亞穩(wěn)離子（m*） 離子在質譜儀的無場漂移區(qū)中分解而形成的較低質量的離子。質譜圖上反應各離子的質荷比及豐度的峰被稱為某離子峰。基峰：譜圖中豐度最高離子的峰絕對豐度：每一離

3、子的豐度占所有離子豐度總和的百分比，記作工。相對豐度：每一離子及豐度最高離子的豐度百分比。第二章譜圖中的離子第一節(jié)分子離子分子離子（M+）是質譜圖中最有價值的信息，它不但是測定化合物分子量的依據(jù)， 而且可以推測化合物的分子式，用高分辨質譜可以直接測定化合物的分子式。一、分子離子的形成分子失去一個電子后形成分子離子。一般來講，從分子中失去的電子應該是分子中 束縛最弱的電子，如雙鍵或叁鍵的n電子，雜原子上的非鍵電子。失去電子的難易順序 為：雜原子C = C C C C H h易難電離能7:C,HFohsNF,Cl,Hr也15.46I2Jn2Ch11.5榛CHiOH10,8NH,10.2ch3cj1

4、13115CjH.OH10.5CjH5NH:&.9n-CjHjCi10.99.9THF9.4四氧毗駐SO5F9.2!泗丸8.5VCJisCl9 An-CdHflSH9 A6,9飛舊曲?.O分子離子的豐度主要取決于其穩(wěn)定性和分子電離所需要的能量。易失去電子的化合 物，如環(huán)狀化合物，雙鍵化合物等，其分子離子穩(wěn)定，分子離子峰較強；而長碳鏈烷烴， 支鏈烷烴等正及此相反。有機化合物在質譜中的分子離子穩(wěn)定度有如下次序：芳香環(huán) 共軛烯 烯 環(huán)狀化合物 羰基化合物 醚 酯 胺 酸 醇 高度分支的烴類。二、分子離子峰的判別。通常，化合物的分子量用其所含元素的最大豐度質量來計算。假如一個純化合物的EI質譜圖中有分

5、子離子的話，它應該出現(xiàn)在譜圖的最高質荷比區(qū)，但是，質譜圖上質荷 比最高的離子不一定就是分子離子，仍需進一步檢驗確定，以便排除各種干擾。為判別分子離子，前人總結了很多經驗。在一個純化合物質譜（不含本底和離子分 子反應等產生的附加峰）中，作為一個分子離子必要的但非充分的條件是：1、它必要是譜圖中最高質量的離子分子失去一個電子，形成分子離子，自然它的質量數(shù)（質荷比）應為最高。但是， 某些含氧含氮的化合物，如醚，酯，胺、酰胺、氨基酸酯、氰化物等，往往在比母峰多 一個質量單位處出現(xiàn)一個峰，稱為m+1峰，這是由于分子離子在電離室碰撞過程中捕 獲一個H而形成的。同樣，有些分子易失去一個氫而生成M-1離子，例

6、如，六氫毗啶的M-1峰比M峰要高得多。在實際工作中，情況往往很復雜，例如測量誤差會對低豐度元素的計算帶來較大 影響，使推導出的元素組成有一種以上的可能性，這樣，還需結合碎片離子及其他數(shù)據(jù) 綜合分析。NH(M-1 + m/z 84；M 氣 m/z 85)此外，由于某些元素的重同位素的存在，質譜圖中也會出現(xiàn)某些離子的質荷比高于 分子離子的情況。對同位素離子的說名見下節(jié)。2、分子離子必須是奇電子離子樣品分子失去一個電子而被電離成離子，因而分子離子是一個游離基離子，由于帶 有未成對電子，所以被稱為奇電子離子。E），用符號表示。例如甲烷的分子離了形 成過程如下：4+H：C: H* Hh：C m或 ch4

7、*H上式中符號只指帶未成對電子的離子，并不是指另有一個電子加到所表示的分 子上。3、含氮的有機化合物，分子離子的質荷比符含“氮規(guī)則”。在有機化合物中常見的多數(shù)元素，其最大豐度同位素質量和價健之間有一個巧合， 即除氮原子外，兩者或均為偶數(shù)或均為奇數(shù)。由此可以推導出“氮規(guī)則”：假若一個化 合物含有偶數(shù)個氮原子，則分子離子的質量為偶數(shù)。反之，可以推論出：含奇數(shù)個氮原 子的化合物，分子離子的質量為奇數(shù)，其他有機化合物，分子離子的質量一般為偶數(shù)。4、分子離子必須能夠通過丟失合理的中性碎片，產生譜圖中高質量區(qū)的重要離子。分子離子分解過程中，通常僅有少數(shù)幾種低質量中性碎片被失去。例如，飽合烷烴 可以失去甲基

8、或一個氫原子，出現(xiàn)質荷比為M-15及M-1的離子，但不可能失去個氫， 出現(xiàn)質荷此為M-5的離子。通常，巧合，低質量中性碎片破失去。例如，飽合烷烴可以 失去甲基或一個氫原子，出現(xiàn)質荷比為M-15及M1的離子，但不可能失去5個氫， 出現(xiàn)質荷比為M5的離子。通常，分子離子不可能失去質量為414和2125的中性 碎片而產生重要的峰。下圖為一烷烴的圖譜，每m/z 57及m/z 43的離子相距14個質量 數(shù)，而完整的有機化合物分子不可能丟失一個CH2離子，所以m/z 57不是分子離子 峰，而是由m/z 72的離子失去甲基(M-15)形成的。經過譜圖解析，證明這個化合物 是季戊烷CH3C(CH3)3，由于它

9、不穩(wěn)定，在電子轟擊下易斷裂，所以沒出現(xiàn)分子離子 峰。M-15(.CH3), M-16(O), M-17(.OH,NH3), M-18(H2O),M-26(CN,HCCH), M-27(CHNH2.CHCH2), M-28(CO,CH2CH2),M-29(CHO,C2H5), M-30(CH2O,NO), M-31(OCH3,CH2OH),M-32(CH3OH,S,O2), M-33(CH3+H2O), M-34(H2S), M-35(CL),M-36(2H2O,HCL), M-41(C3H5),對于不易出現(xiàn)分子離子的化合物，可采用其他輔助分析手段。1、低能電子：通常EI譜的電子轟擊能量為70e

10、v，逐步降低轟擊電子的能量，可以 減少分子的平均內能使其碎斷幾率相應減少，由此提高分子離子的相對豐度。但需要注 意的是，降低轟擊電子能量，也就降低了所有離子的絕對豐度，使儀器靈敏度隨之下降。 能量過低，對辨別分子離子峰同樣是不利的。2、化學電離等軟電離技術：在化學電離條件下，樣品分子及“反應氣”離子在離子源中發(fā)生離子一分子反應。 通常，樣品分子得到一個氫或失去一個氫，得到質荷比為M1的偶電子離子(OE) +， 這些偶電子離了一般具有較低的內能。因此用EI得不到分子離子的化合物，大多數(shù)在 CI條件下，可以產生能指明分子量的離子。除CI外，常用的軟電離技術還有FI (場電 離)FD (場解吸)及F

11、AB (快原子轟去)等。3、測定衍生物的質譜：用化方法把一個化合物轉變?yōu)檫m當?shù)难苌飦硖岣呋衔锏恼羝麎?，從而得到低揮 發(fā)性化合物的衍生物質譜圖，如羧酸，在EI譜上，只能得到M-COOH的峰，將羧酸進 行甲酯化反應后，得到M-H+CH3 的峰，進而推測化合物的分子量。第二節(jié)同位素離子在自然界，很多元素的組成不是單一的。這樣，由它們組成的化學純的有機化合物， 由于組成它們的元素不是同位素純的，只能得到一張混合物的質譜圖。其中含有豐度較 小的同位素的離子被稱為同位素離子。它的豐度及離子中存在該元素的原子數(shù)目及該同 位素的天然豐度有關，借助這些知識，可以推測分子離子或碎片離子的元素組成。一、天然元素

12、中同位素的相對豐度下表中列舉了組成有機化合物的常見元素在自然界中存在的同位素及其豐度。這些 化合物被分為三類：“A”，只有一個天然豐度的同位素；“A+1”，有兩個同位素的元素， 其中第二個同位素比豐度最大的同位素重一個質量單位；“A+2”，這類元素含有比豐度 最大同位素重二個質量單位的同位素。AA+1A+2元素類型質量，%質量，%質量，%表2-1常見元素的天然同位素豐度元素H110020.015“A”C12100131.1“A+1”N14100150.37“A+1”O(jiān)16100170.04180.20“A+2”F19100“A”Si28100295.1303.4“A+2”P31100“A”S3

13、2100330.80344.4“A+2”Cl351003732.5“A+2”Br791008198.0“A+2”I127100“A”and Gove(1971)。1.10.02，取決于來源。二、重同位素峰豐度的近似計算法?！癆+2” 元素，這類元素包括氧、硅、硫、氯和漠。除氧以外，其他元素的重同位素豐度都較高， 如果有機物含有硅、硫、氯和漠，則分子離子區(qū)出現(xiàn)的同位素峰的強度可由二項式的展 開式來計算。(a + b)n = an + nan-1b + n(n - 1)an-2b2 / 2!+ n(n - 1)(n - 2)an-3b3 /3!+式中a：輕同位素相對豐度b：重同位素相對豐度n：分子

14、中該元素的原子數(shù)目例如：含一個氯原子的化合物CH3CL，由CH335CL(M=50)及CH337CL(M+2=52) 組成，其中35CL及37CL的豐度比為3： 1，則上式為(3+1)1=3+1CH335CL 及 CH337CL 的豐度比，即 m/m+2=3:1 TOC o 1-5 h z 10(J孫比H- CI50 日5W(1|,.,3|5,|.,：丫|,.，,|10 網 刷50 曲而含三個氯的CHCL，同位素.峰豐度計算如下：3(3 1) - 3 .12(a + b)3 = (3 +1)3 = 33 + 3 - 32 -1 + )-+13c c c . 3(3 -1) - 3 -1 3(3

15、 -1)(3 - 2) -13=33 + 3 - 32 -1 + + 23=27 + 27 + 9 +1同樣，可知含一個漠原子的有機化合物，其m/m+2的豐度比為1： 1，含二個漠原 子時，m:m+2:m+4=1:2:1。Methane, tjronic-(M)Mtihane, dibrorno-當化合物含有兩種或兩種以上“A+2”元素時，先根據(jù)上式計算每一種元素的豐度 比，而后時它們進行排列組合，例如對于含一個氯原子及兩個漠原子的化合物，用3： 1 含一個（氯原子的豐度比），及1： 2： 1 （含兩個溪原子的豐度比）組合，可知它的 m:m+2:m+4:m+6 =3:7:5:1。7I I，I

16、八104070100130160190（MJMethane, dibiomochloro-氧原子的A+2同位素相對豐度很低（0.2%）,當離子中存在多數(shù)個碳原子時，會對 m+2峰產生影響，對于含有W個碳原子及五個氧原子的化合物，其m+2峰的相對豐度“ -（1 - 1W）2 的理論便可用下形式計算，m + 2% =+ O.20Z %200在實際測量中，由于18O含量低，測量誤差往往較大。以上介紹了已知“ A+2 ”元素原子的個數(shù)時，如何計算同位素樣的樣相對強度。反 之，通過質譜測定，已知同位素豐度時，也可推測元素的種類及含量，但由于對氧元素 的測量誤差不易控制。往往在確定了 “A+1”元素和其他

17、“A+2”元素之后再計算氧原 子數(shù)據(jù)，也可以否定某些元素的存在。如m+2/m ABCD A + BCD*A + BCD*BC+ + D反應中也可以發(fā)生異構化ABCD AD + BC碎片離子的豐度主要取決于該離子的穩(wěn)定性。主要的離子穩(wěn)定形式是雜原子中未成 鍵軌道的電子共享和共振穩(wěn)定。此外，豐度及離子的電離能有關。電離能低的碎片離子 形成幾率高。二、離子分解反應的類型及反應機理反應的分類方法有很多種，此處采用F、W、Mclafferty的分類方法。鍵的斷裂化合物中某個單鍵失去電子，則在此處易進一步發(fā)生斷裂反應，例如烷烴。eRCR3R CR3R + Cr3能夠穩(wěn)定正電荷的離子豐度較高，如(CH3)3

18、C CH2CH3 -e a ；CH3j3C$H2CH3；CH3)3 C* + ch2ch3甲基為供電基，叔丁基及三個甲基相連，對穩(wěn)定正電荷最有利，所上上述反應中 (CH3)3C+離子的豐度為100%，即基峰。(MJButane,游離基中心引發(fā)的斷裂反應(a斷裂)分子失去電子，形成游離基離子，它的電子有強烈的成對傾向，電子轉移及鄰近原 子形成一個新鍵，同時鄰近原子的a鍵斷裂。因此，這種斷裂通常稱為“a”斷裂反應， 以下分別舉例說明各種化合物a斷裂過程。游離基離子為飽合中心原子CR-YRR + CR?= YR雜原子(Y)的孤對電子電離能較低，很容易去失，形成游離基離子，進而發(fā)生a 斷裂，如RChR

19、- R. + CH2= 8RZ-!Z-!(M) Ethan ol游離基離子為不飽含雜原子rcrMYR + CR，Y例如羰基化合物的a裂解+、0、IIRaR+0III EC R+(M) Acetone烯烴類的烯丙位裂解R匕CH CH2 R + CH疔 CHCH2Z-!+ IICH CH=CH2上述反應的進行及游離基中心給電子傾向有密切的關系。氮原子給電子能力很強， a斷裂在脂肪族胺中占主導地位，其次是氧族元素，由給電子能力的差別造成的a斷裂 反應的難易程度按下列順序排列：NS、O、n，R Cl、BrH。當一個化合物有幾個 a鍵時，最容易去失的是最大的烷基游離基，例如3-甲基-3已醇有3個a鍵，a

20、斷裂后 應在m/z 73、87及101處出現(xiàn)特征峰；其中M-C3H7的峰豐度最高，而后是m-C2H5， m-CH3豐度最低(M)3-Hexanol, 3-n ictliyl-CH33c3H7ohc2h5c(ch) = Oh | |c3h7c(ch) = oh C2H5m/z 73, 100% m/z 87, 50% c3h7c (c2h5)= Ohm/z 101,10%3、電荷中心引發(fā)的反應（誘導斷裂，i） +奇電子離子（OE .）a.飽合中心R-R R + .YR例如：1C2H5-OC2H5c2h5 + - o c2h5m/z 29, 40%b,不飽合中心c=o：qo（o）-L r+rRR如

21、：1 C*Y.4p 5。60 70 (M)3-Pb2H湮據(jù) 0 二 C2h5 + C2H5C8002 5m/z 29上述反應由正電荷對一對電子的吸引所推動，反應發(fā)生的難易及該元素的誘導效應有關，一般為鹵素0、S N、C；許多碘代烷烴，漠代仲和叔烷烴及氯代叔烷烴， 較易產生這個反應。(M)Butane, 2-bromo-CH 廠 CH2CH32 CH3fHJm/z 57+ Br在影響a或i反應的能力方面，氧屬于中等水平，例如：CH3CH2=5MhcH3- ch3c%=ch2 + ch3j im/z 59ch3Ch2 + ,0ch2-ch3 m/z 29a反應及i反應機理不同，形成的離子也不同，兩

22、者互為互補離子。由于i斷裂需 要電荷轉夠，及a斷裂相比較難進行。上述反應中m/z59的豐度大于m/z 29的豐度偶電子離子（EE+）偶電子離子反應往往產生一個新的偶電子離子及一個中性分子。a.飽合中心RYh2 R + YH2化學電離（CI ）產生的初始離子，主要是EE+離子， 口（M+H） +和（M-H） +， 而后產生i反應。例如麻黃素在化學電離中先形成（m+1） +離子，再脫H2O：OH NHCH3cHchch3b:不飽合中心ch2i一r + Y= CH2cch3ch廠 o=ch2m/z 59-ch3ch2+ o=ch2m/z 29經過a斷裂產生偶電子離子（EE+）,再發(fā)生i分子離子為奇電

23、子離子（OE * ）,CO4、游離基中心引發(fā)的重排在質譜反應中，分子中原子的排列發(fā)生變化的反應被稱為重排，由游離基中心引發(fā) 的氫原子重排是常見的重排反應之一。i（1）Y-H重排到不飽合基團上并伴隨發(fā)生B斷裂：（麥氏重排）。未成對電子通過空間及鄰近的一個原子（Y位上氫原子）形成新鍵，這個新鍵的第 二個電子是由該鄰近原子的另一個鍵轉來的，其結果導致這個鍵斷裂及氫原子通過六元 過渡態(tài)轉移。在這個過程中最初的斷裂沒有使離子中任一部分丟失，而只是引起游離基中心位置的改變。新的游離基立即引發(fā)一個a斷裂反應，導致原來游離基的B位碳碳鍵 斷裂；及此同時失去一個烯烴或其他穩(wěn)定分子，形成奇電子離子，例如：(M)2

24、-HexanoneCHH Om/z 58,40%同樣，新形成的游離基中心也可以誘發(fā)誘導斷裂（i斷裂），但由于i斷裂需要電荷轉移， 進行比較困難。離子豐度大為降低。m/z 42,5%然而，如果用苯基取代上述分子的甲基，誘導反應的趨勢大大增強，這是由于苯基 取代使電離能下降所造成。氫重排到飽合雜原子上并伴隨鄰鍵斷裂。rHrH-hyRrd+ Hyr飽合雜原子的游離基未成時電子及鄰近的處于適當構型的氫原子形成一個新鍵，及 此同時一個及氫原子相鄰的鍵斷裂。30372(086100 甲.rl, Il 1i111111111hJum L u i 1111111111111 1 1 1 1 1 11 1 11

25、 1 1 1. rl n j i j 1 |1 U i 1 1 11 1 111 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 | 1 1 1 1 1 1 1 1 1 | 1 11 110 20 3-0 4()50 弓()7080 90 100 Hi)(KOAcetamijle, N-butylr#NHC4H9HNHC4H9rHah2cc=o -h2cUc=o -h2nc4h9 +h2c=C=O m/z 73使得電荷轉移的i反應發(fā)生更為普遍，尢其是對電負性強的集團:100-50通過a反應產生m/z73離子。由于產生的含雜原子的離子是飽合的，對電荷的爭奪 力很弱，(M)Pentane, 1-chlor

26、oC2H5上述反中形成了 M-HCl離子，其它電離能較高的飽合小分子，如H2O、C2H4、 CH3OH、H2S和HBr等，常以這種方式丟失。置換反應（rd）這是一種非氫重排的反應，分子內部兩個原子或基團（常常是帶游離基中心的）互 相作用，形成一個新鍵，及此同時其中一個集團（或兩者）的另一鍵斷裂，例如：5、電荷中心引發(fā)的重排/+ A Bz為氫時常?？吹竭@個類型的裂解，如二乙胺:10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 (M)Ethanaiiiine, N-etliyi-+CH3CH崩一0如30%里 ch2 h2c= CH2 + h2S= ch2 m/z 58m/z 30上述反應中，z （氫）和y的位置關系不一定，z離子種種位置重排，在多數(shù)研究報 告中認為是經過四元環(huán)過渡態(tài)。酯類化合物常發(fā)生兩個氫原子的重排，即麥氏重排及電荷中心誘發(fā)的重排，有時稱為麥氏+1重排，例如:ROHR麥氏重排產生OE 離子，而麥氏+1重排產生EE+離子，這個特征峰有利于辨認酯， 硫酯酰胺和磷酸酯等化