1、06:22:15 第五章第五章 有机质谱有机质谱 质谱分析法是在高真空状态下，将样品气体分子进行离子化，电离生成分子离子或碎裂成碎片正离子，经电场和磁场作用后，按质荷比（ m/z）大小不同进行分离、记录的分析方法。记录的结果即为质谱图（棒形图）。根据质谱图提供的信息可进行有机物定性、定量分析，复杂化合物的结构分析，同位素比的测定及固体表面的结构和组成的分析。 06:22:15 CH306:22:15 质谱法主要特点是：质谱法主要特点是： （1）灵敏度高（可达 5pg即10-12g），样品用量少（微克数量级可测量）。 （2）分析速度快（扫描 1100u一般仅需几秒，1u=1.6610-27kg）
2、可实现色谱-质谱在线联用。 （3）测定对象广，不仅可测气体、液体，凡是在室温下具有10-7Pa蒸气压的固体，高分子化合物（多肽）都可测定。 原子质量单位 06:22:15 （4）提供信息直接与结构有关，与其它方法联用已成为最有力的快速鉴定复杂混合物组成和结构的分析工具。 本章将重点介绍质谱法及其在有机化合物结构鉴定中的应用。 5.1 质谱基本知识 5.1.1 质谱仪 06:22:15 进样系统 离子源 质量分析器 检测器 记录放大器 高真空状态 质谱仪是一类能使物体离子化质谱仪是一类能使物体离子化 ,并通过适当电场、磁并通过适当电场、磁 场将它们按场将它们按质荷比质荷比分离、检测分析的仪器。分
3、离、检测分析的仪器。 1、高真空系统：由机械泵和分子泵组成、高真空系统：由机械泵和分子泵组成 06:22:15 离子源：10-410-5Pa 质量分析器：10-510-6Pa 真空度要求 2、进样系统 作用：在不降低真空度的条件下，将样品分子以气体形式引入到离子源中。 作用： 1) 避免大量氧烧坏离子源的灯丝； 2) 减少离子的不必要碰撞 ，避免离子损失； 3) 避免离子分子反应改变裂解模式 ，使质谱复杂化； 4) 减小本底。 06:22:15 （1）间隙进样系统）间隙进样系统 适用于气体、液体或中等蒸适用于气体、液体或中等蒸气压固体。样品可直接或加热成气态方式进入贮气球构成的进样系统，以分子
4、流方式渗透进入离子源。球构成的进样系统，以分子流方式渗透进入离子源。 （2）直接探针进样 适用于固体和高沸点液体。用探头直接将微克级以下的样品送入离子源，并在数秒钟内将探头加热，使样品汽化。 （3）色谱进样系统 挥发性混合物采用 GC色谱仪与质谱仪之间的接口进样。 06:22:15 06:22:15 3、离子源（质谱仪的主要部件）、离子源（质谱仪的主要部件） 作用：作用：使被分析物质离子化（转化为带有样品信息使被分析物质离子化（转化为带有样品信息的离子），并具有一定能量。的离子），并具有一定能量。 常用离子源有EI、CI、FAB、LDI等，不同离子源能量大小不同，应用对象不同。能量高的离子源分
5、子量大小不同，应用对象不同。能量高的离子源分子离子少，碎片离子多；能量低的则相反。 (1)电子轰击源电子轰击源(electron impact ionizatioj EI) 由离子化区和离子加速区组成。在外电场作用下，汽化汽化后的供试品分子进入离子化室后，受到灯丝后的供试品分子进入离子化室后，受到灯丝 06:22:15 发射并加速的发射并加速的热电子束的轰击热电子束的轰击，失去分子中电离电，失去分子中电离电位较低的价电子或非键电子而产生正离子（分子离子和碎片离子），最后在加速区被加速而进入质量分析器。分析器。 热电子束 06:22:15 EI源特点：电离效率高，结构简单和操作方便，能提供有机化
6、合物最丰富的碎片离子结构信息 ，有较好的重现性，其裂解规律也最完善，已建立了数万种化合物标准图谱库供检索。但不适用于难挥发和热稳定性差的供试品的离子化（因为得不到分子离子或分子离子峰很弱，没法确定相对分子质量）。 )V(m212加速电压电荷数?eZ)(?06:22:15 （2 2）化学电离源（）化学电离源（chemical ionization CIchemical ionization CI ） 引入一定压力反应气进入离子化室，反应气在离子化室与具有一定能量电子流碰撞生成反应气离子，反应气离子和样品分子（气态）作用 生成分子离子或碎片离子。常用的反应气甲烷、异丁烷和氨气。化学电离通常得到准分
7、子离子，如果供试品分子的质子亲和势大于反应气的质子亲和势，则生成M+H+，反之则生成M-H-。 06:22:15 气体分子 试样分子 准分子离子 电子 06:22:15 ?HCCHCHCHCHeCH2344甲烷电离 甲烷分子离子或甲基正离子与甲烷分子反应生成加合离子 3544 CHCHCHCH?25243 HHCCHCH?加合离子 06:22:15 加合离子与样品分子反应 准分子离子: (M 1)+ 425CHRHRHCH?(M + 1)+ 6252HCRRHHC?(M - 1)+ EI和CI主要区别是采用CI源易测得分子量 准分子离子 样品分子 样品分子 06:22:15 M=390 COO
8、C8H17 COOC8H17 准分子离子峰 06:22:15 CI源特点：准分子离子峰强度大，便于利用该峰准确推断分子量。即使是不稳定的有机物也可得到相应的准分子离子峰 ,重现性差，碎片离子少，样品结构信息少,谱图简单。 (3)快原子轰击源（fast atom bombardment FAB ） 利用快速中性原子来轰击样品溶液的表面，使分子电离。将样品溶于极性粘稠的高沸点溶剂中，然后用快原子枪射出的快原子来轰击基质中的样品而 06:22:15 产生离子。产生离子。 FAB特点特点:离子化能力强离子化能力强,可用于挥发性低、热稳定可用于挥发性低、热稳定性差和分子质量大的供试品，容易得到比较强的性
9、差和分子质量大的供试品，容易得到比较强的M+1+准分子离子和较多的碎片离子峰，有助于结准分子离子和较多的碎片离子峰，有助于结构解析。FAB是研究高极性、相对分子量大、非挥发性和热不稳定性分子重要离子化方法。但基质分发性和热不稳定性分子重要离子化方法。但基质分子在低质量数区会产生较多的干扰峰。子在低质量数区会产生较多的干扰峰。 （4）激光解析电离（）激光解析电离（laser desorption ionization ） 06:22:15 使用某种波长的激光辐照离子源内与基质混合的样品分子，使分子解析电离。 LDI特点：获得的质谱图有分子离子峰、准分子离子峰及样品聚集的多电荷离子峰，而碎片离子峰
10、较少。 4、质量分析器（质量分离器） 将离子源中生成的各种正离子按其质荷比大小进行分离的部件。磁偏转、四极杆、离子阱等。 06:22:15 06:22:15 ? ? ? ? ? ? ? ? + v F -磁场方向,垂直纸面向里, F-lorentz力(右手法则)，-正离子 离子运动的半径： zmH2Vr2VrHzm222?离心力 =磁场力；m v 2 / r= HZev 质谱仪方程 m(原子质量)单位为u；z为离子所带电荷数目； H单 位为高斯(1T=104GS)；V单位为伏特；r单位为厘米。 06:22:15 r与m/z的平方根成正比， 保持H不变，连续改变V，电压扫描 保持V不变，连续改变
11、H ，磁场扫描 改变加速电压或磁场强度均可以使不同 m/z 的离子进入检测器。 zmH2Vr2VRHzm222?06:22:15 例：质量为100u的一价正离子 ，通过加速电压为6000V加速后，进入磁感应强度为 1.2T的磁场，试计算该离子的轨道半径 解：由 （1）四级杆分析器 由四根带有直流电压（ DC）和叠加的射频电压（RF）的准确平行杆构成，相对的一对电极是等 电位的，两对电极之间电位相反。当一组质荷比 cmZmHVr3 . 9110060002102 . 11242?06:22:15 不同的离子进入由 DC和RF组成的电场时，只有满足特定条件的离子作稳定振荡通过四极杆，到达检测器而被
12、检测，通过扫描 RF场可以获得质谱图。 06:22:15 06:22:15 5 5、检测器、检测器: :法拉第杯和电子倍增器法拉第杯和电子倍增器 离子源产生的离子经过质量分析器按质荷比分离离子源产生的离子经过质量分析器按质荷比分离后后, ,形成不同强度离子流形成不同强度离子流 (10-91010-10A)，检测器接受，检测器接受这些离子流信号并放大，经计算机数据处理后得到这些离子流信号并放大，经计算机数据处理后得到被分析样品质谱图。被分析样品质谱图。 06:22:15 5.1.2 质谱术语及质谱中的离子 1.质谱术语 （1）基峰：质谱图中离子强度最大的峰，规定其相对强度（丰度）为 100。其他
13、离子峰则以基峰的相对百分值表示。 （2）质荷比：离子的质量与所带电荷数之比，用m/z表示，z通常为1。质荷比表示峰位置。 （3）精确质量:精确原子、分子、碎片离子质量。 06:22:15 2.质谱中离子 （1）分子离子：分子失去一个电子所形成的正离 子。相应的质谱峰称为分子离子峰或母峰。 M M 其中“+”表示有机分子失去一个电子而电离， “”表示失去一个电子后剩下的未配对电子。 失去电子优先发生在最容易电离部位，电子和杂 原子上的孤对电子比电子容易失去。 -e . 06:22:15 分子离子特征 有些化合物分子离子极不稳定，表现为分子离子峰 强度极小或不存在。 芳香族、共轭烯烃及环状化合 物
14、的分子离子峰强 ，烃、脂肪醇、醚、胺分子离子 峰弱。 奇数个电子、符合氮规则 (nitrogen rule) 谱图高质荷比端、确定相对分子质量 相对强度推测化合物类型 . M 06:22:15 （2）碎片离子：由分子离子发生某些化学键断裂所形成质荷比较小的离子。 “ ”含奇数e； “+”含偶数e； “”自由基 碎片离子 碎片离子 . 06:22:15 同位素离子 (3)同位素离子：含有同位素构成的离子。同位素离子：含有同位素构成的离子。 即由重质同位素组成的分子所形成的分子离子或碎片离子。同位素离子同位素离子m/z总是较对应分子离子或碎片离子大总是较对应分子离子或碎片离子大 例如：CH4 13
15、C+1H4=17 M+1 12C+2H+1H3=17 M+1 13C+2H+1H3=18 M+2 12C+1H4=16 M 峰强比用(M+1)/M, (M+2)/M 等表示，数值由同素丰度比和原子数目决定 , 根据峰强比可推断是否含 S、Cl、Br及其原子数目。 06:22:15 元素 相对丰度 元素 相对丰度 1H 2H 100.00 0.015 14N 15N 100.00 0.37 12C 13C 100.00 1.12 16O 18O 100.00 0.20 35Cl 37Cl 100 32.5 79Br 81Br 100 97.9 32S 34S 100 4.44 28Si 30Si
16、 100 3.4 稳定同位素相对丰度 06:22:15 例如：含Cl和Br原子 含1个Cl原子 M:M+2=100:32.5 ?3:1 M M+2 1个Cl 1:1 M M+2 1个Br 含1个Br原子 M:M+2=100:97.9 ?1:1 含3个Cl原子 如CHCl3会出现： M、M+2、M+4、M+6 峰 06:22:15 M/Z 118 120 122 124 M/Z 118 120 122 124 M M+2 M+4 M+6 丰度比 27 27 9 1 符合二项式：a=3（轻）、b=1（重）、n=3原子数目 (a+b)n=(3+1)3=27 + 27 + 9 + 1 M M+2 M+
17、4 M+6 轻质丰度比 重质丰度比 m/z 118 120 122 124 06:22:15 （4）亚稳离子:离子离开电离源，尚未进入质量分析器前，在中途任何地方碎裂变成的低质量亚稳态离子，用m*表示。 C4H9+57m1/zC3H5+m2/z 41C3H5+m*/z 41m1 m2 m* m/z 122)(*mmm ?亚稳离子 子离子质量 母离子质量 06:22:15 亚稳离子特点:峰弱；峰钝（棒粗）；质荷比不是整数 C4H9+57m1/zC3H5+m2/z41C3H5+m*/zRR2 异裂（异裂（“箭头”表示双电子转移 ） 06:22:15 半异裂：已离子化的 键的开裂 失电子顺序： n电
18、子电子?电子(C-CC-H) 例如 CH3 CH3CC2H5 CH3 + 半异裂半异裂 CH3 CH3C + C2H5 CH3 + 06:22:15 在侧链化合物中,侧链愈多,愈易断裂。侧链上大的 取代基优先作为自由基失去，生成稳定的仲碳或叔 碳离子。其稳定次序为 R3C R2CH RCH2 CH3 具有侧链的环烷烃，侧链部位先断裂，生成带正电 环状碎片 + + + + R + + + R 06:22:15 2、重排开裂：断裂多个化学键重新排列，重排离 子更稳定。化学键断裂时丢失 中性分子中性分子或碎片碎片，质 荷比减小明显。 （1）麦克拉佛特（McLafferty）重排：当不饱和不饱和 中心
19、 C=X (X= O, N, S, C ) 及其-碳上有氢原子 时，氢原子经六元环的电子转移与不饱中心成键发 生重排，同时丢失一中性分子。重排后离子更稳定 06:22:15 2-戊酮分子离子戊酮分子离子 2 2 06:22:15 （2）逆狄尔斯-阿尔德重排(RDA重排)：当分子中含一个?键的六员环时，可发生 RDA反应。 +R- eR+R+R+R+R主要主要 在裂解中含原双键部分带正电荷 可能性大些 (Z)06:22:15 (Z)CCH3CH2H3C68(Z)CCH3CH2H3CCH3HCH2CH2H柠檬烯柠檬烯 C 3 m/z=68 m/z=136 06:22:15 例：请写出以下化合物质谱
20、图出现峰的碎裂方式例：请写出以下化合物质谱图出现峰的碎裂方式 m/z=100,85,58,57,43 解：解：m/z=100 m/z=85 m/z=58 + m/z=57 m/z=43 o o -e o + o + - CH3 O + O H . 麦克拉佛特重排 OH + m/z=58 - CO + m/z=57 o + H3CCOCCO + + 06:22:15 5.2 分子离子与分子式确定分子离子与分子式确定 5.2.1 分子离子峰的确认：分子离子峰的确认： MS图最右端 区分M+1，M+2等峰；不稳定离子无分子离子峰 1、分子离子稳定性：、分子离子稳定性： 芳香族化合物共轭链烯脂环化合物
21、烯烃直 链烷烃 硫醇 酮 胺 酯醚 酸支链烷烃醇 2、含奇数e可能是分子离子,含偶数含偶数e不是分子离子不是分子离子 06:22:15 3、分子离子服从、分子离子服从“氮律氮律” 只含只含C,H,O时时, 分子离子的质量数为偶数分子离子的质量数为偶数 含含C,H,O,N时时, 奇数个氮奇数个氮, 则分子离子的质量则分子离子的质量数为奇数，反之为偶数数为奇数，反之为偶数 例例 某未知物只含某未知物只含C,H,O, MS最右端峰为最右端峰为m/z=59,不不符合氮律，因而该峰不是分子离子（符合氮律，因而该峰不是分子离子（ m/z=74） m/z=59 06:22:15 4、分子离子存在合理的中性碎
22、片（小分子和自由 基）损失，是判断分子离子峰最重要依据。质谱图 上不可能出现M-3 M-14或M-20 M-25范围内的碎 片峰，若出现则M不可能是分子离子峰。 5、M-1峰不要误认为分子离子峰，因为有时 M-1峰 较分子离子稳定，因而出现在质谱图上。 3.2.2 分子式的确定 1、利用同位素峰簇的 相对丰度法推导分子式 06:22:15 （1）计算法：只含 C、H、O的未知物用 ?20. 0006. 021 . 1120ccnMnMn?例如：根据下列提供的信息，求分子式的组成 m/z 相对峰强 150(M) 100 151(M+1) 9.9 152(M+2) 0.9 06:22:15 解：(
23、M+2)%为0.9，说明不含S,Cl,Br(三者的同位素离子峰强度均很大，大于 4) M为偶数，说明不含氮或偶数个氮 先以不含N计算，若结果不合理再修正 210922 1021691215021 . 22 . 09006. 09 . 02 . 0006. 0)2(91 . 19 . 91 . 11OHCnnMnMnHCOC，分子式?06:22:15 （2）Beynon(贝诺)表法：该表是根据同位素峰强 比与离子元素组成的关系，编制了按离子质量数为 序，含C、H、O、N的分子离子及碎片离子的 M+1/M、 M+2/M数据表。 使用时将所得分子离子峰的质量数、 M+1/M、 M+2/M数据进行查B
24、eynon表，得出分子式或碎片离子 元素组成。 06:22:15 Beynon(贝诺)表 150 M+1 M+2 C7H10N4 C8H8NO2 C8H10N2O C8H12N3 C9H10O2 C9H12NO C9H14N2 9.25 9.23 9.61 9.98 9.96 10.34 10.71 0.38 0.78 0.61 0.45 0.84 0.68 0.52 06:22:15 2、利用高分辨质谱法确定分子量推导分子式、利用高分辨质谱法确定分子量推导分子式 （1）试误法 精确分子量的小数部位是由1H、14N、16O元素贡献 的，12C的质量为整数值。 若有机分子仅由C、H、N、O元素组
25、成，则分子量 的尾数：0.0078y+0.0031z-0.0051w(x,y,z,w分别 为C,H,N,O的原子数目)。 例如：若化合物分子量 M为偶数,不含氮或含偶数氮 06:22:15 设z=0,z=0,W=0,则y=尾数/0.0078,x=(M-y)/12/0.0078,x=(M-y)/12 ； 设z=0,W=1,则y=(尾数+0.0051)/0.0078,x=(M-y-16)/12； 以此类推，求得最接近精确质量的元素组成即为 分子式。 （2）查Beynon表 由高分辨率质谱数据表查的对应某精确分子量的 分子式。 06:22:15 5.3 常见有机化合物的质谱特征 5.3.1 烃类化合
26、物的质谱特征 1.饱和烷烃 分子离子峰较弱 直链具有一系列 m/z相差14的CnH2n+1碎片离子峰 m/z=29, 43, 57, 71 基峰C3H7+ (m/z=43) 或 C4H9+ (m/z=57 ） 支链烷烃，在分支处优先裂解，形成稳定的叔碳或仲碳正离子 06:22:15 2.链烯 分子离子稳定、丰度大 易生成质量数相差 14的一系列CnH2n-1碎片： 41+14n, n=0, 1, 2, m/z=41峰很强，是链烯的特征峰 失 电子 ? ? + CH2CH=CH2+R CH2=CHCH2+ m/z=41 ? 06:22:15 3、芳烃 分子离子稳定，峰的强度大 烷基取代易发生裂解
27、，产生 m/z=91特征离子 具有重排离子 06:22:15 扩环 进一步裂解 06:22:15 取代苯能发生裂解，产生苯离子，进一步裂解 ? 环丙烯及环丁二烯离子 06:22:15 氢的烷基取代苯，能发生麦氏重排产生氢的烷基取代苯，能发生麦氏重排产生 m/z = m/z = 92 (C7H8+) 鎓离子 C7H7+(m/z91) C6H5+(m/z 77) C4H3+(m/z 51) C3H3+(m/z 39) C5H5+(m/z 65) 06:22:15 5.3.2 5.3.2 醇类化合物的质谱特征 1 、分子离子峰很弱，且随碳链增长而减弱 2 2 、易发生裂解 3 、脱水，发生重排生成
28、M-18离子 06:22:15 4、 直链伯醇出现含羟基离子（ 31，45，59 ），烷基 离子（29，43，57 ），链烯离子（27，41，55）3种系统碎片离子 06:22:15 5.3.3 羰基类化合物的质谱特征 易发生裂解，含氢，发生麦式重排。 1 1、醛 分子离子峰明显； 裂解产生R R+ (Ar+) ) 及 M-1峰 06:22:15 具有具有-H的醛发生麦式重排，产生的醛发生麦式重排，产生 m/z(44+14n)重重 排离子。例如戊醛排离子。例如戊醛 产生 06:22:15 可发生裂解 2、酮 M+明显 易发生裂解 06:22:15 含氢的酮，发生麦式重排 06:22:15 （四
29、）酸与酯 M 较弱，芳酸与酯的 M 强 易发生裂解 O+?COR1,OR1+,RC?O+及R+在MS上都存在 含H式的酸、酯易发生麦式重排 + + 06:22:15 m/z=74 5.4 质谱解析及应用 有机纯物质的结构鉴定是质谱方法最成功的应用领域。通过对质谱图的各碎片离子、亚稳离子、分子离子的化学式、质荷比及相对峰高等信息的 06:22:15 分析，根据各类化合物的断裂规律，找出各碎片离子形成的过程，拼出整个分子结构，再对照其他分析方法，最终获得可靠结构式。 质谱图中各种碎片离子的 m/z和丰度提供了有关化合物所含官能团和化合物类型的信息。通常碎片离子很多，为了从中获得有价值的信息，可从以
30、下三个方面去分析。 （1）重要的低质量端离子系列 06:22:15 在低质量区，一个特定在低质量区，一个特定 m/zm/z的离子只有少数几个的离子只有少数几个元素组成和结构的可能性。例如，元素组成和结构的可能性。例如， m/z=29m/z=29，只有，只有C C2H H5和和CHOCHO两种可能。但对于大的离子峰，则可能排出上百种可能结构。研究重要的低质量端离子系列可以得到有关化合物类型的信息。 （2 2）高质量离子）高质量离子 随离子质荷比增大，可能结构数目呈指数上升。随离子质荷比增大，可能结构数目呈指数上升。因此，直接分析高质量离子很困难。通常是分析 06:22:15 小的中性分子丢失，即
31、观察分子离子与高质量碎片离子的质量差。这些小的中性分子丢失很容易得到有明确解释的结构信息。例如，（ M-1M-1）+表表示从分子离子中失去一个 H H，又如（，又如（M-15M-15）+、（M-18M-18）+、（、（M-20）+等碎片离子峰表示分子离子失去子失去CHCH3、H H2O O、HF。 （3 3）特征离子 官能团存在引发的简单裂解和重排反应生成的离 06:22:15 子常常具有特殊的质量数。例如苯基的 m/z=77、苄基的m/z=91、苯酰基的m/z=105、胺的m/z=30、伯醇的m/z=31等。了解特征离子所代表的结构对于确定化合物类型及所含官能团非常重要。 5.4.1 有机质
32、谱解析程序 在获得化合物相对 分子质量和化学式后，可按下列程序解析质谱。 1、通过化学式计算不饱和度 )21(mtnU?06:22:15 2 2、分子离子峰相对于其他峰的强度、整个谱图、分子离子峰相对于其他峰的强度、整个谱图碎片离子峰的多少、低质量端的碎片离子系列等可为确定化合物的结构类型提供线索，如芳香化合物分子离子峰较强，碎片峰少。 3、注意分子离子峰与高质量数碎片离子峰以及碎片离子峰之间的 m/z的差值，找到分子离子可能脱去的碎片或中性分子，以此推测分子结构和断裂的类型。 06:22:15 4、注意谱图上存在的那些重要离子，特别是奇电子离子，其质量数符合氮规则，它们的出现意味着分子中发生
33、重排或消除反应，这对推断结构有重要意义。 5、若有亚稳离子存在，利用 m*=(m2)2/m1的关系，找出m1和m2，并推断M1M2的碎裂过程。 6、按多种可能方式连接已知的结构碎片及剩余的结构碎片，提供可能的结构。 06:22:15 5.4.2 5.4.2 有机质谱应用实例：推测化合物有机质谱应用实例：推测化合物 C C8 8H H8 8O O2 2结构。结构。 . M 06:22:15 1. 1. 计算不饱和度 U U =1+8+1/2=1+8+1/2(-8)=5 (-8)=5 分子中可能有苯环、一个双键 2. 质谱中无m/z为91的峰,说明不是烷基取代苯 C6H5( ); C2H3O2 06:22:15 可能的结构：可能的结构： COCH2OH(A) COOCH3(B) OCOCH3(C) OCH2COH(D) 06:22:15 COCH2OH(A) 3. 质谱验证 COOCH3(B) 105 105 CO+-CO+-CHCH+m/z 77m/z 51m/z 105 m/z 39 + 06:22:15 O COCH3(C) 均得不到m/z为105的碎片离子,因此可排除这两种结构。 OCH2COH(D) 06:22:15 或 COCH2OH(A) COOCH3(B) 4. 结论 C8H8O2的结构是
