波譜分析-質(zhì)譜(重點(diǎn)難點(diǎn))課件

第五章質(zhì)譜MassSpectrometryMS

《波譜分析》5.1質(zhì)譜的基本知識(shí)5.2離子裂解的機(jī)理5.3有機(jī)質(zhì)譜的裂解反應(yīng)5.4常見(jiàn)各類化合物的質(zhì)譜5.5有機(jī)質(zhì)譜的解析及應(yīng)用5.6最新質(zhì)譜技術(shù)及應(yīng)用簡(jiǎn)介

以某種方式使有機(jī)化合物的分子電離、碎裂，然后按照離子的質(zhì)荷比（m/z）大小把生成的各種離子分離，檢測(cè)它們的強(qiáng)度，并將其排列成譜，這種研究物質(zhì)的方法稱作質(zhì)譜法。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(英，獲1906年諾貝爾物理獎(jiǎng)).

4.

1922年,F.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)

日本科學(xué)家田中耕一年出生于日本富山縣首府富山市，1983年獲日本東北大學(xué)學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)任職于京都市島津制作所，為該公司研發(fā)工程師，分析測(cè)量事業(yè)部生命科學(xué)商務(wù)中心、生命科學(xué)研究所主任。他對(duì)化學(xué)的貢獻(xiàn)類似于約翰·芬恩，因此也得到了1／4的獎(jiǎng)金。美國(guó)科學(xué)家約翰·芬恩1917年出生于美國(guó)紐約市，1940年獲耶魯大學(xué)化學(xué)博士學(xué)位，1967年到1987年間任該大學(xué)教授，1987年起被聘為該大學(xué)名譽(yù)教授，自1994年起任弗吉尼亞聯(lián)邦大學(xué)教授。他因?yàn)椤鞍l(fā)明了對(duì)生物大分子進(jìn)行確認(rèn)和結(jié)構(gòu)分析的方法”和“發(fā)明了對(duì)生物大分子的質(zhì)譜分析法”而獲得2002年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)1／4的獎(jiǎng)金。瑞士科學(xué)家?guī)鞝柼亍ぞS特里希1938年生于瑞士阿爾貝格，1964年獲瑞士巴塞爾大學(xué)無(wú)機(jī)化學(xué)博士學(xué)位，從1980年起擔(dān)任瑞士蘇黎世聯(lián)邦高等理工學(xué)校的分子生物物理學(xué)教授，還任美國(guó)加利福尼亞州拉霍亞市斯克里普斯研究所客座教授。他因“發(fā)明了利用核磁共振技術(shù)測(cè)定溶液中生物大分子三維結(jié)構(gòu)的方法”而獲得2002年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)一半的獎(jiǎng)金。2002年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者5.1質(zhì)譜的基本知識(shí)儀器質(zhì)譜圖質(zhì)譜中的各種離子5.1.1質(zhì)譜儀的基本結(jié)構(gòu)(自學(xué))

質(zhì)譜儀是通過(guò)對(duì)樣品電離后產(chǎn)生的具有不同的m/z的離子來(lái)進(jìn)行分離分析的。

質(zhì)譜儀包括進(jìn)樣系統(tǒng)、電離系統(tǒng)、質(zhì)量分析系統(tǒng)和檢測(cè)系統(tǒng)。為了獲得離子的良好分離和分析效果，避免離子損失，凡有樣品分子及離子存在和通過(guò)的地方，必須處于真空狀態(tài)。進(jìn)樣系統(tǒng)離子源質(zhì)量分析器檢測(cè)器1.氣體擴(kuò)散2.直接進(jìn)樣3.氣相色譜1.電子轟擊2.化學(xué)電離3.場(chǎng)致電離4.激光

1.單聚焦

2.雙聚焦

3.飛行時(shí)間4.四極桿

顯示真空系統(tǒng)常見(jiàn)離子源類型：電子轟擊源（ElectronImpactsource,EI）硬電離方法快原子轟擊（FastAtomBombardment,FAB）,1981

,軟基質(zhì)輔助激光解析電離（matrix-assistedlaserdesorption-ionization,MALDI）化學(xué)電離源（ChemicalIonization,CI）場(chǎng)致電離源（FieldIonization,FI）和場(chǎng)解吸電離源（FieldDesorption,FD）液相色譜－質(zhì)譜聯(lián)機(jī)的接口粒子束（ParticleBeam,PB）熱束（ThermoBeam）大氣壓電離源（AtmosphericPressure）電噴霧電離（ElectroSparyIonization,ESI）,1988,很軟,通常會(huì)得到

[M+H]+

、[M-H]+大氣壓化學(xué)電離（AtmosphericPressureChemicalIonization,APCI）5.1.2質(zhì)譜圖質(zhì)譜圖是以質(zhì)荷比（m/z）為橫坐標(biāo)，相對(duì)豐度為縱坐標(biāo)構(gòu)成。一般將原始質(zhì)譜圖上最強(qiáng)的離子峰為基峰并定為相對(duì)強(qiáng)度為100%，其它離子峰以對(duì)基峰的相對(duì)百分值表示。質(zhì)譜峰5.1.3質(zhì)譜的離子類型分子在離子源中可以產(chǎn)生各種電離，即同一種分子可以產(chǎn)生多種離子，主要的有分子離子、碎片離子、亞穩(wěn)離子和同位素離子等。1、分子離子M+.化合物失去一個(gè)電子形成的離子有機(jī)化合物分子離子的穩(wěn)定性順序:芳香環(huán)>共軛烯>孤立烯>環(huán)狀化合物>酮>醚>酯>胺>酸>醇>直鏈烴>支鏈烴

分子離子的判別：必須是化合物譜圖中質(zhì)量最高的離子必須是奇電子離子、符合氮規(guī)則必須能通過(guò)丟失合理的中性離子，產(chǎn)生譜圖中高質(zhì)量區(qū)的重要離子容易電離的順序：n電子>

π電子>

σ電子奇電子離子（OE）M+.

帶有未成對(duì)電子的離子計(jì)算不飽和度U，如果U為整數(shù)，則為奇電子離子（OE），為半整數(shù)時(shí)為偶電子離子（EE，M+，電子完全成對(duì)）氮規(guī)則若一個(gè)化合物不含氮或含有偶數(shù)個(gè)N原子，其分子離子的質(zhì)量數(shù)一定是偶數(shù);若含有奇數(shù)個(gè)N原子，分子離子的質(zhì)量數(shù)為奇數(shù)。

合理碎片丟失a與最大離子相鄰的離子差值為13，不合理。b最大離子為122，相鄰的120可以考慮為同位素峰，由于豐度近似，可能為Br，高質(zhì)量離子與最大離子的差值合理，可能120為分子離子峰。c最大離子84，最近離子69，也合理，但84不是分子離子峰，其實(shí)84為（M-H2O）該譜圖為己醇的譜圖。分子離子峰的左面不可能出現(xiàn)小于3～14個(gè)質(zhì)量單位的峰。3、同位素離子許多元素存在同位素最輕同位素天然豐度最大最大豐度同位素分子離子峰M+同位素離子峰M+1或M+2峰2、碎片離子分子離子碎片離子進(jìn)一步斷裂質(zhì)譜圖中質(zhì)荷比最大的峰不一定是分子離子峰，但分子離子峰一定是質(zhì)譜圖中質(zhì)荷比最大的峰。只含C,H,O,N的M+2峰很弱，可忽略。但含Br,Cl的M+2卻很強(qiáng)自然豐度大Cl75.53(35Cl)24.47(37Cl)Br50.54(79Br)49.46(81Br)M/(M+2)Cl:~3:1Br:~1:1(a)2-氯丙烷M+78M+280

(M+2)/M1:3(b)2-溴丁烷M+136M+2138

(M+2)/M1:15、重排離子分子離子在裂解同時(shí)，可能發(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。6、多電荷離子失掉兩個(gè)以上電子的離子是多電荷離子。4、亞穩(wěn)離子從離子源出口到檢測(cè)器之間產(chǎn)生的離子。不穩(wěn)定，中途裂解。7、準(zhǔn)分子離子比分子量多或少1質(zhì)量單位的離子稱為準(zhǔn)分子離子，如：[M+H]+、[M-H]+，

不含未配對(duì)電子，結(jié)構(gòu)上比較穩(wěn)定。5.2離子裂解的機(jī)理（自學(xué)）5.2.1離子的單分子裂解5.2.2離子豐度的影響因素(自學(xué))1．產(chǎn)物離子的穩(wěn)定性2．Stevenson規(guī)則3．質(zhì)子親合能(PA)4．最大烷基丟失5．中性產(chǎn)物的穩(wěn)定性2．Stevenson規(guī)則5.3有機(jī)質(zhì)譜中的裂解反應(yīng)

1、均裂：一個(gè)鍵的兩個(gè)電子裂開(kāi)，每個(gè)碎片上各保留一個(gè)電子。即：

2、異裂：一個(gè)鍵的兩個(gè)電子裂開(kāi)后，兩個(gè)電子都?xì)w屬于其中某一個(gè)碎片，即：5.3.1自由基中心引發(fā)的α斷裂反應(yīng)自由基引發(fā)的α斷裂反應(yīng)，動(dòng)力來(lái)自自由基強(qiáng)烈的電子配對(duì)傾向。該反應(yīng)由自由基中心提供一個(gè)電子與鄰接的原子形成一個(gè)新鍵，而鄰接原子的另一個(gè)化學(xué)鍵則發(fā)生斷裂。下面分述幾種含n、π電子化合物發(fā)生ɑ斷裂反應(yīng)的情況。1.飽和雜原子(Y)化合物的α斷裂反應(yīng)

電負(fù)性：NSOCl

生成正離子的穩(wěn)定性:NSOCl2.含不飽和雜原子化合物的α斷裂反應(yīng)3.碳不飽和鍵化合物的α斷裂反應(yīng)5.3.2電荷中心引發(fā)的i斷裂反應(yīng)電荷中心引發(fā)的i斷裂反應(yīng)（誘導(dǎo)斷裂），動(dòng)力來(lái)自電荷的誘導(dǎo)效應(yīng)，涉及正電荷對(duì)一對(duì)電子的吸引。5.3.3環(huán)狀結(jié)構(gòu)的裂解反應(yīng)對(duì)于環(huán)狀結(jié)構(gòu)的化合物，分子中必須有兩個(gè)鍵斷裂才能產(chǎn)生一個(gè)碎片。因此，環(huán)的裂解產(chǎn)物中一定有一個(gè)奇電子離子環(huán)己烯的六元環(huán)可以通過(guò)相當(dāng)于逆Diels－Alder反應(yīng)（RDA）發(fā)生裂解而形成碎片離子

5.3.4麥?zhǔn)希∕clafferty）重排反應(yīng)

具有以下結(jié)構(gòu)通式A的化合物，可進(jìn)行γ－H重排到不飽和基團(tuán)上，并伴隨發(fā)生β鍵斷裂的麥?zhǔn)现嘏欧磻?yīng)：條件含有C=C、C=N、C=O、C=S雙鍵有與雙鍵相連的-H原子六圓環(huán)過(guò)渡，同時(shí)鍵發(fā)生斷裂重點(diǎn)什么是麥?zhǔn)现嘏牛空?qǐng)舉例說(shuō)明。醛、酮、羧酸、酯都可發(fā)生麥?zhǔn)现嘏牛a(chǎn)生特征質(zhì)譜峰。5.3.5正電荷中心引發(fā)的重排反應(yīng)(自學(xué))

非環(huán)狀偶電子離子可發(fā)生類似以下經(jīng)四員環(huán)過(guò)渡態(tài)的重排：5.3.6氫重排到飽和雜原子上并伴隨鄰鍵斷裂的反應(yīng)(自學(xué))5.4常見(jiàn)各類化合物的質(zhì)譜5.4.1烴類1．飽和脂肪烴1)直鏈烴直鏈烴顯示弱的分子離子峰，首先通過(guò)均裂失去一個(gè)烷基游離基并形成正離子，隨后連續(xù)脫去14個(gè)質(zhì)量單位。具有典型的CnH2n+1+系列(m/z29、43、57、…)和CnH2n-1+(m/z27、41、55、…)系列離子峰，含3個(gè)或4個(gè)C的離子豐度最大。

2)支鏈烴:分子離子峰豐度降低。

2．不飽和脂肪鏈烴3.環(huán)烷烴：

4.環(huán)烯烴：

符合條件發(fā)生逆Diels-Alder和H-轉(zhuǎn)移的斷裂。5.芳烴：m/z92特征峰：39、51、65、77、78、91、92、93正丁苯（M=134）的質(zhì)譜如下圖所示，試解釋質(zhì)譜中m/z91，92，105碎片離子的形成過(guò)程。補(bǔ)充:(重點(diǎn)掌握)P.240圖5-171.飽和脂肪鏈醇1）分子離子峰強(qiáng)度很低，容易失去一個(gè)H2O。5.4.2醇類2）醇容易發(fā)生α-β斷裂，形成m/z符合31+14n的正離子。3.開(kāi)鏈伯醇還可能發(fā)生麥?zhǔn)现嘏?，同時(shí)脫水和脫烯。2．脂環(huán)醇5.4.3酚類酚類的分子離子峰很強(qiáng)，往往是基峰。酚易失去CO和CHO形成M－28和M－29的離子峰。鄰位效應(yīng)5.4.4醚

脂肪醚：1）分子離子峰弱。

2）α–裂解及碳-碳σ鍵斷裂，生成系列CnH2n+1O的含氧碎片峰。（31、45、59…）

3）?－裂解，生成一系列CnH2n+1

碎片離子。（29、43、57、71…）芳香醚：1）分子離子峰較強(qiáng)。

2）裂解方式與脂肪醚類似，可見(jiàn)77、65、39等苯的特征碎片離子峰。5.4.5醛、酮類直鏈醛、酮顯示有CnH2n＋1CO為通式的特征離子系列峰，如m/z29、43、57……等。補(bǔ)充:(重點(diǎn)掌握)

4—辛酮（M=128）的質(zhì)譜如下圖所示，試解釋質(zhì)譜中m/z100，86，58碎片離子的形成過(guò)程。

5.4.6羧酸類1.脂肪酸：1）分子離子峰很弱。

2）α裂解出現(xiàn)M－17(OH)，M－45(COOH)，45的峰及烴類系列碎片峰。

3）麥?zhǔn)夕?氫重排羧酸特征離子峰m/z60（60＋14n）

4）含氧的碎片峰（45、59、73…）

芳酸：1）分子離子峰較強(qiáng)。

2）鄰位取代羧酸會(huì)有M－18（－H2O）峰。

5.4.7酯類化合物

1）分子離子紛紛較弱，但可以看到。

2）α裂解，強(qiáng)峰3）麥?zhǔn)现嘏?，產(chǎn)生的峰：74＋14n4）乙酯以上的酯可以發(fā)生雙氫重排，生成的峰：61＋14n

一個(gè)酯類化合物,初步確定其結(jié)構(gòu)為(A)或(B),在質(zhì)譜圖上于m/z74處給出一強(qiáng)碎片離子峰(70%),試確定其結(jié)構(gòu)為何?(要求寫(xiě)出裂解過(guò)程)ACH3CH3CH2COOCH3B(CH3)2CHCOOCH3補(bǔ)充:(重點(diǎn)掌握)化合物結(jié)構(gòu)為：CH3CH2COOCH3某酯類化合物，在質(zhì)譜圖上出現(xiàn)m/z57和m/z59兩個(gè)主要的碎片離子峰。試確定其結(jié)構(gòu)，并解釋這兩個(gè)峰的形成。補(bǔ)充:(重點(diǎn)掌握)根據(jù)質(zhì)譜斷裂機(jī)制驗(yàn)證如下譜圖是否是乙酸仲丁酯的MS譜圖。補(bǔ)充:(重點(diǎn)掌握)5.4.8酰胺類化合物(重點(diǎn)掌握P.254NN-二乙基己酰胺)

1）分子離子峰較強(qiáng)。

2）α裂解；γ-氫重排

5.4.4胺類1.脂肪胺1）分子離子峰很弱；往往不出現(xiàn)。2）主要裂解方式為α斷裂和經(jīng)過(guò)四元環(huán)過(guò)渡態(tài)的氫重排。3）出現(xiàn)30、44、58、72…系列30＋14n的含氮特征碎片離子峰。

2.芳胺

1）分子離子峰很強(qiáng)，基峰。

2）雜原子控制的α斷裂。小結(jié)：羰基化合物中各類化合物的麥?zhǔn)现嘏欧迦?44酮：58+14n酸：60酯：74+14n酰胺：59+14n5.5有機(jī)質(zhì)譜的解析與應(yīng)用5.5.1譜圖解析步驟1.分子離子峰的確定分子離子的判別：必須是化合物譜圖中質(zhì)量最高的離子必須是奇電子離子、符合氮規(guī)則必須能通過(guò)丟失合理的中性離子，產(chǎn)生譜圖中高質(zhì)量區(qū)的重要離子2.對(duì)質(zhì)譜圖作一總的瀏覽分析同位素峰簇的相對(duì)強(qiáng)度比及峰形，判斷是否有Cl、Br、

S、Si、F、P、I等元素。3.分子式確定-----計(jì)算不飽和度4.研究重要的離子質(zhì)譜譜峰的m/z差值（P.261-267）（1）高質(zhì)量端的離子（第一丟失峰M－18－OH）（2）重排離子（3）亞穩(wěn)離子（4）重要的特征離子

烷系：29、43、57、71、85….（醛、酮）芳系：39、51、65、77、91、92、93氧系：31、45、59、73（醇、醚）氮系：30、44、58

5.盡可能推測(cè)結(jié)構(gòu)單元和分子結(jié)構(gòu)6.對(duì)質(zhì)譜的校對(duì)、指認(rèn)質(zhì)譜圖中常見(jiàn)碎片離子及其可能來(lái)源2.試判斷質(zhì)譜圖1、2分別是2-戊酮還是