第五章 有機(jī)質(zhì)譜分析

第五章有機(jī)質(zhì)譜質(zhì)譜分析法是在高真空狀態(tài)下，將樣品氣體分子進(jìn)行離子化，電離生成分子離子或碎裂成碎片正離子，經(jīng)電場和磁場作用后，按質(zhì)荷比（m/z）大小不同進(jìn)行分離、記錄的分析方法。記錄的結(jié)果即為質(zhì)譜圖（棒形圖）。根據(jù)質(zhì)譜圖提供的信息可進(jìn)行有機(jī)物定性、定量分析，復(fù)雜化合物的結(jié)構(gòu)分析，同位素比的測定及固體表面的結(jié)構(gòu)和組成的分析。2023/2/42023/2/4質(zhì)譜法主要特點(diǎn)是：（1）靈敏度高（可達(dá)5pg即10-12g），樣品用量少（微克數(shù)量級可測量）。（2）分析速度快（掃描1~100u一般僅需幾秒，1u=1.66×10-27kg）可實現(xiàn)色譜-質(zhì)譜在線聯(lián)用。（3）測定對象廣，不僅可測氣體、液體，凡是在室溫下具有10-7Pa蒸氣壓的固體，高分子化合物（多肽）都可測定。原子質(zhì)量單位2023/2/4（4）提供信息直接與結(jié)構(gòu)有關(guān)，與其它方法聯(lián)用已成為最有力的快速鑒定復(fù)雜混合物組成和結(jié)構(gòu)的分析工具。

本章將重點(diǎn)介紹質(zhì)譜法及其在有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)鑒定中的應(yīng)用?！?.1質(zhì)譜基本知識5.1.1質(zhì)譜儀

2023/2/4進(jìn)樣系統(tǒng)離子源質(zhì)量分析器檢測器記錄放大器高真空狀態(tài)質(zhì)譜儀是一類能使物體離子化,并通過適當(dāng)電場、磁場將它們按質(zhì)荷比分離、檢測分析的儀器。1、高真空系統(tǒng)：由機(jī)械泵和分子泵組成2023/2/4離子源：10-4~10-5Pa質(zhì)量分析器：10-5~10-6Pa真空度要求}2、進(jìn)樣系統(tǒng)作用：在不降低真空度的條件下，將樣品分子以氣體形式引入到離子源中。作用：

1)

避免大量氧燒壞離子源的燈絲；2)減少離子的不必要碰撞，避免離子損失；3)避免離子－分子反應(yīng)改變裂解模式，使質(zhì)譜復(fù)雜化；4)減小本底。2023/2/4（1）間隙進(jìn)樣系統(tǒng)適用于氣體、液體或中等蒸氣壓固體。樣品可直接或加熱成氣態(tài)方式進(jìn)入貯氣球構(gòu)成的進(jìn)樣系統(tǒng)，以分子流方式滲透進(jìn)入離子源。（2）直接探針進(jìn)樣適用于固體和高沸點(diǎn)液體。用探頭直接將微克級以下的樣品送入離子源，并在數(shù)秒鐘內(nèi)將探頭加熱，使樣品汽化。（3）色譜進(jìn)樣系統(tǒng)揮發(fā)性混合物采用GC色譜儀與質(zhì)譜儀之間的接口進(jìn)樣。2023/2/42023/2/43、離子源（質(zhì)譜儀的主要部件）作用：使被分析物質(zhì)離子化（轉(zhuǎn)化為帶有樣品信息的離子），并具有一定能量。常用離子源有EI、CI、FAB、LDI等，不同離子源能量大小不同，應(yīng)用對象不同。能量高的離子源分子離子少，碎片離子多；能量低的則相反。(1)電子轟擊源(electronimpactionizatiojEI)由離子化區(qū)和離子加速區(qū)組成。在外電場作用下，汽化后的供試品分子進(jìn)入離子化室后，受到燈絲2023/2/4發(fā)射并加速的熱電子束的轟擊，失去分子中電離電位較低的價電子或非鍵電子而產(chǎn)生正離子（分子離子和碎片離子），最后在加速區(qū)被加速而進(jìn)入質(zhì)量分析器。熱電子束2023/2/4EI源特點(diǎn)：電離效率高，結(jié)構(gòu)簡單和操作方便，能提供有機(jī)化合物最豐富的碎片離子結(jié)構(gòu)信息，有較好的重現(xiàn)性，其裂解規(guī)律也最完善，已建立了數(shù)萬種化合物標(biāo)準(zhǔn)圖譜庫供檢索。但不適用于難揮發(fā)和熱穩(wěn)定性差的供試品的離子化（因為得不到分子離子或分子離子峰很弱，沒法確定相對分子質(zhì)量）。2023/2/4（2）化學(xué)電離源（chemicalionizationCI）引入一定壓力反應(yīng)氣進(jìn)入離子化室，反應(yīng)氣在離子化室與具有一定能量電子流碰撞生成反應(yīng)氣離子，反應(yīng)氣離子和樣品分子（氣態(tài)）作用生成分子離子或碎片離子。常用的反應(yīng)氣甲烷、異丁烷和氨氣?；瘜W(xué)電離通常得到準(zhǔn)分子離子，如果供試品分子的質(zhì)子親和勢大于反應(yīng)氣的質(zhì)子親和勢，則生成[M+H]+，反之則生成[M-H]-。2023/2/4氣體分子試樣分子準(zhǔn)分子離子電子2023/2/4甲烷電離甲烷分子離子或甲基正離子與甲烷分子反應(yīng)生成加合離子加合離子2023/2/4加合離子與樣品分子反應(yīng)準(zhǔn)分子離子:(M±1)+(M+1)+(M-1)+}EI和CI主要區(qū)別是采用CI源易測得分子量準(zhǔn)分子離子樣品分子樣品分子2023/2/4M=390COOC8H17COOC8H17準(zhǔn)分子離子峰2023/2/4CI源特點(diǎn)：準(zhǔn)分子離子峰強(qiáng)度大，便于利用該峰準(zhǔn)確推斷分子量。即使是不穩(wěn)定的有機(jī)物也可得到相應(yīng)的準(zhǔn)分子離子峰,重現(xiàn)性差，碎片離子少，樣品結(jié)構(gòu)信息少,譜圖簡單。(3)快原子轟擊源（fastatombombardmentFAB）利用快速中性原子來轟擊樣品溶液的表面，使分子電離。將樣品溶于極性粘稠的高沸點(diǎn)溶劑中，然后用快原子槍射出的快原子來轟擊基質(zhì)中的樣品而2023/2/4產(chǎn)生離子。FAB特點(diǎn):離子化能力強(qiáng),可用于揮發(fā)性低、熱穩(wěn)定性差和分子質(zhì)量大的供試品，容易得到比較強(qiáng)的[M+1]+準(zhǔn)分子離子和較多的碎片離子峰，有助于結(jié)構(gòu)解析。FAB是研究高極性、相對分子量大、非揮發(fā)性和熱不穩(wěn)定性分子重要離子化方法。但基質(zhì)分子在低質(zhì)量數(shù)區(qū)會產(chǎn)生較多的干擾峰。（4）激光解析電離（laserdesorption

ionization

）2023/2/4

使用某種波長的激光輻照離子源內(nèi)與基質(zhì)混合的樣品分子，使分子解析電離。LDI特點(diǎn)：獲得的質(zhì)譜圖有分子離子峰、準(zhǔn)分子離子峰及樣品聚集的多電荷離子峰，而碎片離子峰較少。4、質(zhì)量分析器（質(zhì)量分離器）將離子源中生成的各種正離子按其質(zhì)荷比大小進(jìn)行分離的部件。磁偏轉(zhuǎn)、四極桿、離子阱等。2023/2/42023/2/4

+vF×-磁場方向,垂直紙面向里,F-lorentz力(右手法則)，⊕-正離子離子運(yùn)動的半徑：離心力=磁場力；m

v

2/r=H×Z×e×v

質(zhì)譜儀方程m(原子質(zhì)量)單位為u；z為離子所帶電荷數(shù)目；H單位為高斯(1T=104GS)；V單位為伏特；r單位為厘米。2023/2/4①r與m/z的平方根成正比，②保持H不變，連續(xù)改變V，電壓掃描③保持V不變，連續(xù)改變H，磁場掃描改變加速電壓或磁場強(qiáng)度均可以使不同m/z

的離子進(jìn)入檢測器。2023/2/4例：質(zhì)量為100u的一價正離子，通過加速電壓為6000V加速后，進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為1.2T的磁場，試計算該離子的軌道半徑解：由

（1）四級桿分析器由四根帶有直流電壓（DC）和疊加的射頻電壓（RF）的準(zhǔn)確平行桿構(gòu)成，相對的一對電極是等電位的，兩對電極之間電位相反。當(dāng)一組質(zhì)荷比2023/2/4不同的離子進(jìn)入由DC和RF組成的電場時，只有滿足特定條件的離子作穩(wěn)定振蕩通過四極桿，到達(dá)檢測器而被檢測，通過掃描RF場可以獲得質(zhì)譜圖。

2023/2/42023/2/45、檢測器:法拉第杯和電子倍增器離子源產(chǎn)生的離子經(jīng)過質(zhì)量分析器按質(zhì)荷比分離后,形成不同強(qiáng)度離子流(10-9~10-10A)，檢測器接受這些離子流信號并放大，經(jīng)計算機(jī)數(shù)據(jù)處理后得到被分析樣品質(zhì)譜圖。2023/2/45.1.2質(zhì)譜術(shù)語及質(zhì)譜中的離子1.質(zhì)譜術(shù)語（1）基峰：質(zhì)譜圖中離子強(qiáng)度最大的峰，規(guī)定其相對強(qiáng)度（豐度）為100。其他離子峰則以基峰的相對百分值表示。（2）質(zhì)荷比：離子的質(zhì)量與所帶電荷數(shù)之比，用m/z表示，z通常為1。質(zhì)荷比表示峰位置。（3）精確質(zhì)量:精確原子、分子、碎片離子質(zhì)量。2023/2/42.質(zhì)譜中離子（1）分子離子：分子失去一個電子所形成的正離子。相應(yīng)的質(zhì)譜峰稱為分子離子峰或母峰。

MM

其中“+”表示有機(jī)分子失去一個電子而電離，“·”表示失去一個電子后剩下的未配對電子。失去電子優(yōu)先發(fā)生在最容易電離部位，π電子和雜原子上的孤對電子比σ電子容易失去。-e＋

.2023/2/4分子離子特征有些化合物分子離子極不穩(wěn)定，表現(xiàn)為分子離子峰強(qiáng)度極小或不存在。芳香族、共軛烯烴及環(huán)狀化合物的分子離子峰強(qiáng)，烴、脂肪醇、醚、胺分子離子峰弱。①奇數(shù)個電子、符合氮規(guī)則(nitrogenrule)②譜圖高質(zhì)荷比端、確定相對分子質(zhì)量③相對強(qiáng)度推測化合物類型＋

.M2023/2/4（2）碎片離子：由分子離子發(fā)生某些化學(xué)鍵斷裂所形成質(zhì)荷比較小的離子。①“”含奇數(shù)e；②“+”含偶數(shù)e；③“·”自由基碎片離子碎片離子＋

.2023/2/4同位素離子(3)同位素離子：含有同位素構(gòu)成的離子。即由重質(zhì)同位素組成的分子所形成的分子離子或碎片離子。同位素離子m/z總是較對應(yīng)分子離子或碎片離子大例如：CH413C+1H×4=17M+112C+2H+1H×3=17M+113C+2H+1H×3=18M+212C+1H×4=16M峰強(qiáng)比用(M+1)/M,(M+2)/M

等表示，數(shù)值由同素豐度比和原子數(shù)目決定,根據(jù)峰強(qiáng)比可推斷是否含S、Cl、Br及其原子數(shù)目。2023/2/4元素相對豐度％元素相對豐度％1H2H100.000.01514N15N100.000.3712C13C100.001.1216O18O100.000.2035Cl37Cl10032.579Br81Br10097.932S34S1004.4428Si30Si1003.4穩(wěn)定同位素相對豐度2023/2/4例如：含Cl和Br原子

①含1個Cl原子

M:M+2=100:32.53:1MM+21個Cl1:1MM+21個Br

②含1個Br原子M:M+2=100:97.91:1

③含3個Cl原子

如CHCl3會出現(xiàn)：

M、M+2、M+4、M+6峰2023/2/4M/Z118120122124MM+2M+4M+6豐度比272791符合二項式：a=3（輕）、b=1（重）、n=3原子數(shù)目

(a+b)n=(3+1)3=27+27+9+1

MM+2M+4M+6

輕質(zhì)豐度比重質(zhì)豐度比m/z1181201221242023/2/4（4）亞穩(wěn)離子:離子離開電離源，尚未進(jìn)入質(zhì)量分析器前，在中途任何地方碎裂變成的低質(zhì)量亞穩(wěn)態(tài)離子，用m*表示。離子中源產(chǎn)生m1m2m*m/z亞穩(wěn)離子子離子質(zhì)量母離子質(zhì)量飛行途中產(chǎn)生2023/2/4

亞穩(wěn)離子特點(diǎn):峰弱；峰鈍（棒粗）；質(zhì)荷比不是整數(shù)m1m2m*m/z2023/2/4（5）重排離子：分子離子在碎裂同時，可能丟失掉中性分子或碎片，發(fā)生某些原子或原子團(tuán)的重排，生成比較穩(wěn)定的重排離子。其結(jié)構(gòu)與原來分子的結(jié)構(gòu)單元不同，它們在質(zhì)譜圖上的峰稱為重排離子峰。如鏈狀鹵化合物的成環(huán)重排：

RR·+X＋

.X+2023/2/45.1.3有機(jī)化合物裂解類型1、單純開裂①均裂（“魚鉤”表示單電子轉(zhuǎn)移）例如：若R1>R2②異裂（“箭頭”表示雙電子轉(zhuǎn)移）2023/2/4③半異裂：已離子化的σ鍵的開裂失電子順序：

n電子>π電子>電子(C-C>C-H)

例如·CH3

CH3－C－C2H5

CH3

+·半異裂CH3

CH3－C+C2H5

CH3

+·2023/2/4在側(cè)鏈化合物中,側(cè)鏈愈多,愈易斷裂。側(cè)鏈上大的取代基優(yōu)先作為自由基失去，生成穩(wěn)定的仲碳或叔碳離子。其穩(wěn)定次序為R3C>R2CH>RCH2>CH3具有側(cè)鏈的環(huán)烷烴，側(cè)鏈部位先斷裂，生成帶正電環(huán)狀碎片++++R+·++R·2023/2/4

2、重排開裂：斷裂多個化學(xué)鍵重新排列，重排離子更穩(wěn)定?；瘜W(xué)鍵斷裂時丟失中性分子或碎片，質(zhì)荷比減小明顯。（1）麥克拉佛特（McLafferty）重排：當(dāng)不飽和中心C=X(X=O,N,S,C)及其γ-碳上有氫原子時，氫原子經(jīng)六元環(huán)的電子轉(zhuǎn)移與不飽中心成鍵發(fā)生重排，同時丟失一中性分子。重排后離子更穩(wěn)定2023/2/42-戊酮分子離子222023/2/4（2）逆狄爾斯-阿爾德重排(RDA重排)：當(dāng)分子中含一個鍵的六員環(huán)時，可發(fā)生RDA反應(yīng)。主要在裂解中含原雙鍵部分帶正電荷可能性大些

次要2023/2/4檸檬烯C3m/z=68m/z=1362023/2/4例：請寫出以下化合物質(zhì)譜圖出現(xiàn)峰的碎裂方式

m/z=100,85,58,57,43解：m/z=100

m/z=85

m/z=58+

m/z=57

m/z=43oo-eo+·o+·-CH3·O+OH＋

.麥克拉佛特重排OH+·m/z=58-CO+m/z=57o+·H3CC≡O(shè)++·2023/2/4§5.2分子離子與分子式確定5.2.1分子離子峰的確認(rèn)：MS圖最右端①區(qū)分M+1，M+2等峰；②不穩(wěn)定離子無分子離子峰1、分子離子穩(wěn)定性：

芳香族化合物>共軛鏈烯>脂環(huán)化合物>烯烴>直鏈烷烴>硫醇>酮>胺>酯>醚>酸>支鏈烷烴>醇2、含奇數(shù)e可能是分子離子,含偶數(shù)e不是分子離子2023/2/4

3、分子離子服從“氮律”

①只含C,H,O時,分子離子的質(zhì)量數(shù)為偶數(shù)②含C,H,O,N時,奇數(shù)個氮,則分子離子的質(zhì)量數(shù)為奇數(shù)，反之為偶數(shù)例某未知物只含C,H,O,MS最右端峰為m/z=59,不符合氮律，因而該峰不是分子離子（m/z=74）

m/z=592023/2/44、分子離子存在合理的中性碎片（小分子和自由基）損失，是判斷分子離子峰最重要依據(jù)。質(zhì)譜圖上不可能出現(xiàn)M-3~M-14或M-20~M-25范圍內(nèi)的碎片峰，若出現(xiàn)則M不可能是分子離子峰。5、M-1峰不要誤認(rèn)為分子離子峰，因為有時M-1峰較分子離子穩(wěn)定，因而出現(xiàn)在質(zhì)譜圖上。3.2.2分子式的確定1、利用同位素峰簇的相對豐度法推導(dǎo)分子式2023/2/4（1）計算法：只含C、H、O的未知物用例如：根據(jù)下列提供的信息，求分子式的組成

m/z相對峰強(qiáng)

150(M)100151(M+1)9.9152(M+2)0.92023/2/4解：①(M+2)%為0.9，說明不含S,Cl,Br(三者的同位素離子峰強(qiáng)度均很大，大于4)②M為偶數(shù)，說明不含氮或偶數(shù)個氮③先以不含N計算，若結(jié)果不合理再修正2023/2/4

（2）Beynon(貝諾)表法：該表是根據(jù)同位素峰強(qiáng)比與離子元素組成的關(guān)系，編制了按離子質(zhì)量數(shù)為序，含C、H、O、N的分子離子及碎片離子的M+1/M、M+2/M數(shù)據(jù)表。使用時將所得分子離子峰的質(zhì)量數(shù)、M+1/M、M+2/M數(shù)據(jù)進(jìn)行查Beynon表，得出分子式或碎片離子元素組成。2023/2/4Beynon(貝諾)表150M+1M+2①C7H10N4②C8H8NO2③C8H10N2O④C8H12N3⑤C9H10O2⑥C9H12NO⑦C9H14N29.259.239.619.989.9610.3410.710.380.780.610.450.840.680.522023/2/42、利用高分辨質(zhì)譜法確定分子量推導(dǎo)分子式（1）試誤法精確分子量的小數(shù)部位是由1H、14N、16O元素貢獻(xiàn)的，12C的質(zhì)量為整數(shù)值。若有機(jī)分子僅由C、H、N、O元素組成，則分子量的尾數(shù)：0.0078y+0.0031z-0.0051w(x,y,z,w分別為C,H,N,O的原子數(shù)目)。例如：若化合物分子量M為偶數(shù),不含氮或含偶數(shù)氮2023/2/4設(shè)z=0,W=0,則y=尾數(shù)/0.0078,x=(M-y)/12；設(shè)z=0,W=1,則y=(尾數(shù)+0.0051)/0.0078,x=(M-y-16)/12；以此類推，求得最接近精確質(zhì)量的元素組成即為分子式。（2）查Beynon表由高分辨率質(zhì)譜數(shù)據(jù)表查的對應(yīng)某精確分子量的分子式。2023/2/4§5.3常見有機(jī)化合物的質(zhì)譜特征5.3.1烴類化合物的質(zhì)譜特征1.飽和烷烴①分子離子峰較弱②直鏈具有一系列m/z相差14的CnH2n+1碎片離子峰

m/z=29,43,57,71…

基峰C3H7+(m/z=43)或C4H9+(m/z=57

）③支鏈烷烴，在分支處優(yōu)先裂解，形成穩(wěn)定的叔碳或仲碳正離子2023/2/42.鏈烯①分子離子穩(wěn)定、豐度大②易生成質(zhì)量數(shù)相差14的一系列CnH2n-1碎片：

41+14n,n=0,1,2,…③m/z=41峰很強(qiáng)，是鏈烯的特征峰失π電子+CH2–CH=CH2+R·

CH2=CH–CH2+m/z=412023/2/4

3、芳烴①分子離子穩(wěn)定，峰的強(qiáng)度大②烷基取代易發(fā)生β裂解，產(chǎn)生m/z=91特征離子④具有重排離子2023/2/4擴(kuò)環(huán)③進(jìn)一步裂解β2023/2/4

④取代苯能發(fā)生α裂解，產(chǎn)生苯離子，進(jìn)一步裂解環(huán)丙烯及環(huán)丁二烯離子2023/2/4⑤γ氫的烷基取代苯，能發(fā)生麥?zhǔn)现嘏女a(chǎn)生m/z=92(C7H8+)鎓離子

C7H7+(m/z91)C6H5+(m/z77)C4H3+(m/z51)C3H3+(m/z39)C5H5+(m/z65)2023/2/45.3.2醇類化合物的質(zhì)譜特征

1、分子離子峰很弱，且隨碳鏈增長而減弱

2、易發(fā)生α裂解3、脫水，發(fā)生重排生成M-18離子2023/2/44、直鏈伯醇出現(xiàn)含羥基離子（31，45，59…

），烷基離子（29，43，57…），鏈烯離子（27，41，55）3種系統(tǒng)碎片離子2023/2/45.3.3羰基類化合物的質(zhì)譜特征易發(fā)生α裂解，含γ氫，發(fā)生麥?zhǔn)街嘏拧?、醛①分子離子峰明顯；②α裂解產(chǎn)生R+(Ar+)及M-1峰2023/2/4③具有γ-H的醛發(fā)生麥?zhǔn)街嘏?，產(chǎn)生m/z(44+14n)重排離子。例如戊醛產(chǎn)生2023/2/4④可發(fā)生β裂解

2、酮①M(fèi)·+明顯②易發(fā)生α裂解2023/2/4③含γ氫的酮，發(fā)生麥?zhǔn)街嘏?023/2/4（四）酸與酯①M(fèi)較弱，芳酸與酯的M強(qiáng)②易發(fā)生α裂解

O+C–OR1,OR1+,R–CO+及R+在MS上都存在③含γH式的酸、酯易發(fā)生麥?zhǔn)街嘏?·+·2023/2/4

m/z=74§5.4質(zhì)譜解析及應(yīng)用有機(jī)純物質(zhì)的結(jié)構(gòu)鑒定是質(zhì)譜方法最成功的應(yīng)用領(lǐng)域。通過對質(zhì)譜圖的各碎片離子、亞穩(wěn)離子、分子離子的化學(xué)式、質(zhì)荷比及相對峰高等信息的2023/2/4分析，根據(jù)各類化合物的斷裂規(guī)律，找出各碎片離子形成的過程，拼出整個分子結(jié)構(gòu)，再對照其他分析方法，最終獲得可靠結(jié)構(gòu)式。質(zhì)譜圖中各種碎片離子的m/z和豐度提供了有關(guān)化合物所含官能團(tuán)和化合物類型的信息。通常碎片離子很多，為了從中獲得有價值的信息，可從以下三個方面去分析。（1）重要的低質(zhì)量端離子系列2023/2/4在低質(zhì)量區(qū)，一個特定m/z的離子只有少數(shù)幾個元素組成和結(jié)構(gòu)的可能性。例如，m/z=29，只有C2H5和CHO兩種可能。但對于大的離子峰，則可能排出上百種可能結(jié)構(gòu)。研究重要的低質(zhì)量端離子系列可以得到有關(guān)化合物類型的信息。（2）高質(zhì)量離子隨離子質(zhì)荷比增大，可能結(jié)構(gòu)數(shù)目呈指數(shù)上升。因此，直接分析高質(zhì)量離子很困難。通常是分析2023/2/4小的中性分子丟失，即觀察分子離子與高質(zhì)量碎片離子的質(zhì)量差。這些小的中性分