有机波谱分析.ppt

第一章核磁共振概论 1 1核磁共振基本原理1 1 1原子核的磁矩 自旋量子数I 1 2 具有电核四极矩 quadrupole 1 质量数和原子序数均为偶数 质子数 中子数均为偶数 则I 0 如12C 16O 32S 2 质量数为奇数 质子数与中子数其一为偶数 另一为奇数 则I 1 2 如1H 13C 15N 31P I 3 2 如35Cl 37Cl 3 质量数为偶数 原子序数为奇数 质子数 中子数均为奇数 则I 1 如2H 14N 1 1 2核自旋角动量及磁矩的空间量子化 自旋量子数的原子核具有自旋角动量 其数值为 磁矩 磁旋比 magnetogyricratio 有外磁场时 磁矩和磁场的相互作用能E 若设外磁场加在Z轴方向上 则有 原子核不同能级间的能量差为 允许跃迁 m 1 1 1 3核磁共振的产生 如用某一特定频率的电磁波辐照核 并满足下述条件 则产生NMR 核磁共振的物理图象 拉莫尔进动 LarmorPrecess 垂直于B0的线偏振交变磁场 一般把最大Z轴分量叫做原子核的磁矩 并非核的总磁矩 由实验观测确定 如1H的磁矩 z max 2 79270 N 核Bohr磁子 N 5 05082x10 27JT 1 1T下与1H共振频率最接近的是19F共振频率 40 055MHz 1T磁场下的共振频率 1 2化学位移 ChemicalShift 1 2 1屏蔽常数 ShieldingConstant 核屏蔽 原子的屏蔽 近程屏蔽 抗磁屏蔽 以s电子为主 1H 顺磁屏蔽 以p d电子为主 13C 19F等 分子的屏蔽 远程屏蔽 分子内的屏蔽 分子间的屏蔽 诱导效应 共轭效应 磁各向异性效应 氢键效应 范德华效应 顺磁效应 溶剂效应 介质磁化率效应 氢键效应 顺磁效应 1 2 2化学位移 固定频率 扫场 固定磁场 扫频 0 仪器的公称频率 0 60MHzB0 1 4092T1ppm 60Hz100MHz2 3488T100Hz200MHz4 6975T200Hz400MHz9 3951T400Hz 100MHz 250MHz 1 3自旋 自旋耦合 Spin SpinCoupling 1 3 1自旋 自旋耦合裂分一级谱 1 谱线数目 nI 1 与n个等价核相耦合 I 1 2时 n 1规则2 相邻两条谱线间距离都相等 3 谱线强度分布符合 a b n展开式的各项系数 1 3 2耦合常数 CouplingConstant JJ反映了核磁矩间相互作用能的大小 和两核之间相隔化学键的数目密切相关 与仪器的工作频率无关 如 13C 1H 1J 1H 12C 12C 1H 3J 长程耦合 ong RangeSpin SpinCoupling 1 4脉冲傅里叶变换核磁共振谱仪PFT NMR PulsedFourierTransformNMR PFT NMR 高频 的优点 省时 省样 高灵敏度 高S N 高分辨率 CW法所无法实现的新的测试方法 各种脉冲序列的应用 与其他分析仪器联用等 第二章核磁共振氢谱2 1化学位移2 1 1氢谱中影响化学位移的因素 1 取代基电负性越强 越移向低场2 相连碳原子的s p杂化轨道的s成分越多 越移向低场3 环状共轭体系的环电流效应 一些轮烯的 值 轮烯磁感应情况 值 ppm 4 顺磁环流很不稳定 可被捕获 无NMR数据 6 抗磁环流7 4 8 非环流5 68 10 非环流5 67 全顺 80 5 86 反 40 12 顺磁环流 8 0 环内3H 150 6 0 环外9H 150 14 抗磁环流0 0 环内4H 60 7 6 环外10H 60 16 顺磁环流10 43 环内4H 120 5 40 环外12H 120 18 抗磁环流 2 99 环内6H 60 9 28 环外12H 60 20 顺磁环流10 9 13 9 环内7H 105 4 1 6 6 环外13H 105 22 抗磁环流 0 4 1 2 环内8H 90 9 3 9 65 环外14H 90 24 顺磁环流11 43 12 9 环内9H 80 4 73 环外15H 80 4 相邻键的磁各项异性 5 相邻基团电偶极矩和范德华力的影响6 介质的影响7 氢键 2 1 2化学位移的数值 Shoolery经验公式 烯氢 值的计算公式 苯环上氢 值的计算公式 2 2耦合常数J 2 2 1耦合的矢量模型 两个氢核相距奇数根键时 自旋相反 J 0两个氢核相距偶数根键时 自旋相同 J 0耦合作用随键的数目的增加而迅速下降 2 2 21J与2J 影响2J的因素1 s p杂化CH3 12 4Hz CH2 2 3Hz2 取代基的影响吸电子基团使2J往正方向变化3 构象4 邻位 键的影响2J往负方向变化 5 环大小的影响三员环2J往正方向变化环丙烷类 3 9Hz 2 2 33J 影响3J的因素1 二面角 Karplus公式 解释现象 烯氢的Jtrans 15 17Hz Jcis 10 11Hz 六员环的Jaa Jae Jee立体化学信息 赤式与苏式结构的3J不等 J180 J0 2 取代基的电负性 随着电负性的增加 3J下降3 键长 3J随着键长的减小而增大4 键角 3J随着键角的减小而增大 2 2 3长程耦合跨越四根键及更远的耦合折线性 1Hz 7Hz 共轭体系 2 2 4芳环与杂芳环芳环氢 3J 6 9Hz 4J 1 3Hz 5J 0 1Hz杂芳环 与杂原子位置有关 紧接杂原子的3J较小 2 3自旋耦合体系及核磁共振谱图的分类2 3 1化学等价 Chemicalequivalent 1 分子中各原子核处于相对静止的情况分子中的两基团 或质子 通过旋转操作可互换 则为化学等价 是等频的 没有旋转操作 但有其他对称操作能使分子中的两基团 或质子 互换 则它们为对映异位 enantiotopic 在非手性溶剂中为化学等价 是等频的 但在手性溶剂中为化学不等价 是异频的 没有对称操作能使分子中的两基团 或质子 互换 则它们为化学不等价 是异频的 非对映异位 diastereotopic 2 分子内的快速运动分子的内旋转例 RCH2 CXYZ 3 前手性 Prochirality 若与某碳原子相连的四个基团互不等同时 该碳原子则是一手性中心 chiralcenter 若某碳原子连有一对相同的基团时 该碳原子则是前手性中心 prochiralcenter 则分子就具有前手性 前手性中心上两个相同基团关系的判断 对称面原则 若分子存在对称面 且此对称面平分XCX角 两个X是对映异位的 若存在分子内运动 则对每一种构象来说 都应存在平分XCX角的分子对称面 若上述条件不满足 则两个X是非对映异位的 4 同碳原子上相同二基团化学等价性的考虑固定环上CH2的两个氢是化学不等价的 单键不能快速旋转时 同碳 氮 上二相同基团不是化学等价的 与手性碳相连的CH2的两个氢是化学不等价的 对称面原则 2 3 2磁等价 Magneticequivalent 两个核 或基团 磁等价必须同时满足下列两条件 1 它们是化学等价的 2 它们对任意另一核的耦合常数J相同 数值及符号 磁不等价 磁等价 2 3 3自旋体系 Spinsystem 相互耦合的核组成自旋体系1 化学位移相同的核构成一个核组 用A B M X 标注 2 化学位移相差较大 用AM AX AMX 标注 化学位移相差较小 用AB ABC XY 标注 3 核组内的核若磁等价 用A3 A2B X2 标注 4 若核组内的核磁不等价 用AA A 标注 2 3 4核磁谱图的分类产生一级谱图 first orderspectra 的条件 1 J 6 2 同一核组 其化学位移相同 的核均为磁等价 一级谱的特点 1 峰的数目可用2nI 1 n 1 规律 2 峰组内各峰的相对强度可用二项式展开系数近似地表示 3 从图中可直接读出 和J 不能同时满足产生一级谱的两个条件时 则产生二级谱 second orderspectra 2 4几种常见的二级谱体系AB体系环上孤立CH2 二取代乙烯 四取代苯等 谱线关系 AB体系的理论计算值 设 讨论 1 当JAB AB时 AX体系 当JAB AB 时 A2体系 单线 2 从NMR谱中只能求出JAB和 AB的绝对值 而不能确定它们的符号 2 5常见的一些复杂谱2 5 1取代苯环1 单取代苯环 1 第一类取代基团 o p m位氢的 值差别不大 基本是一个大峰 2 第二类取代基团 o p m位氢的 值均移向高场 但m位移动较小 3 第三类取代基团 o p m位氢的 值均移向低场 但o位移动较大 在判断三类取代基时的要点 1 集中于3J引起的耦合裂分的峰形分析 2 结合 值进行考虑 3 当用高频仪器时 谱峰可以拉开 2 对位取代苯环属于AA BB 体系 其谱图左右对称 粗看似AB体系 3 邻位取代苯环取代基团相同 属于典型的AA BB 体系 其谱图左右对称 取代基团不同 属于ABCD体系 其谱图最复杂 但若两个取代基团分属第二和第三类时 或使用高频仪器时 可近似为AKPX体系 4 间位取代苯环取代基团相同 属于AB2C体系 取代基团不同 属于ABCD体系 隔离H因无3J耦合 经常显示粗略的单峰 5 多取代苯环五取代 单峰四取代 A2 AX AB体系三取代 AMX ABX ABC AB2体系 60MHz 2 5 2取代的杂芳环由于电负性杂原子的存在 杂芳环上不同位置氢的已拉开一定距离 取代基使之进一步拉开 因此经常可按一级谱分析 2 5 3单取代乙烯 H 一级谱近似d d t 四组三重峰 H H d d t 两组双重峰 粗看为三重峰 有时能观测到长程耦合 2 5 4正构长链烷基 X CH2 CH2 n CH3 X的 位CH2峰移向低场 位CH2峰略移向低场 其它CH2的 值相近 1 25ppm 而3J 6 7Hz 形成强耦合体系 峰形复杂 粗看为一单峰 端甲基虽只与其 位CH2耦合 却显示出畸变的三重峰 虚假 长程耦合 virtuallong rangecoupling 只要存在强耦合体系 就可表现出 虚假 耦合 虚假 耦合不仅表现在峰形畸变 也可表现为谱线分裂数目及裂距的 异常 1 HexanolinCDCl3at300MHz 2 6辅助谱图分析的一些方法2 6 1使用高频仪器2 6 2重氢交换2 6 3介质效应2 6 4位移试剂 2 6 5计算机模拟谱图 Eu dpm 3 2 7双共振 Doubleresonance 2 7 1概述双共振 在垂直于B0方向上再加上B2 1H 1H 13C 1H 被检测的核 被干扰的核 双共振实验的用途 简化谱图 确定一些隐藏谱线 提高灵敏度 确定J的相对符号 确定化学位移 确定空间位置 对被干扰的核照射射频场B2时 有 2代表被干扰的核被照射的频谱宽度 Am Xn 双共振的类型 B2的强度实验现象名称 2 nJAXA核谱线简化为一单峰自旋去耦 2 JAXA核谱线部分简化选择性自旋去耦 2 1 T2A核谱线分裂自旋微扰 2 1 T2A核谱线强度变化广义NOE 2 7 2自旋去耦 Spindecoupling 定性解释A X 若A被照射发生共振的同时 该照射频率记为 A 以强的功率照射X 该照射频率记为 X 引起X核发生共振并饱和 X核在 和 能级间快速跃迁 X谱线消失 结果A核区分不清X核的状态 而只看到其平均值 即在A核处产生的附加磁场 在NMR时标下 平均为零 因此A和X核之间的耦合作用消失 A的谱线合并成单线 自旋去耦的主要用途 确定耦合关系 简化谱图 确定隐藏谱线的化学位移 去掉核四级矩效应 2 7 3核Overhauser效应 NuclearOverhauserEffect AlbertW Overhauser 1926 NOE 若对分子中空间相距较近的两核 5 之一进行辐照 使之达到跃迁的饱和状态 此时记录另一个核的核磁共振峰 可发现较无此辐照时 谱峰强度有所变化 这即是核Overhauser效应 NOE NOE产生的机制是磁性核之间的偶极耦合 dipolecoupling NOE的产生仅以两核空间相近为决定性条件 而与两核间化学键存在与否无关 与有无J耦合无关 JAC JBC 2 8核磁共振中的动力学现象活泼氢的谱图交换速度 OH NH SH一般 观测到的是活泼氢的平均化学位移值 可通过加入D2O确认 1 OH 一般是一个锐峰 有些情况下可观测到裂分或多个峰 2 NH 一般是一个较钝的峰 观测不到N的耦合裂分 2 9核磁共振氢谱的解析解析步骤 1 区分出杂质峰 溶剂峰 旋转边带 13C卫星峰等 X 卤素原子 三价氮 X 卤素原子 五价氮 IyIInIIIzIVx I II III IV分别代表处1 2 3 4价原子 不饱和度大于4时 应考虑含苯环 三个双键和一个环 2 计算不饱和度 unsaturationnumber 3 确定谱图中各峰组所对应的氢原子数目 对氢原子进行分配 4 分子对称性的考虑 5 对每个峰组的峰形 J都进行分析 6 组合可能的结构式 7 对推出的结构进行指认 C8H7OCl CDCl3 25 C 60MHz C5H6O CDCl3 25 C 60MHz 第三章核磁共振碳谱 3 1概述优点 1 掌握碳原子 特别是无氢原子连接时 的信息2 化学位移范围大 可超过200ppm 3 可确定碳原子级数4 准确测定驰豫时间 可帮助指认碳原子 难点 灵敏度低 信噪比差13C天然丰度 1 1 S N 3 C3 H3 1 64 在同等实验条件下是氢谱的1 6000 13C谱中最重要的信息是化学位移 3 2化学位移 1H 13C 3 2 113C谱化学位移的决定因素是顺磁屏蔽 抗磁屏蔽 Lamb公式 顺磁屏蔽 Karplus与Pople公式 E 1 平均电子激发能的倒数 r 3 2p 2p电子和核距离立方倒数的平均值QAA 所考虑核的2p轨道电子的电子密度QAB 所考虑核与其相连的核的键之键级 负号表示顺磁屏蔽 p 越大 去屏蔽越强 其共振位置越在低场 讨论 1 E大 E 1小 p 小 去屏蔽弱 其共振位置在高场 例 饱和烷烃 E大 共振位置在高场羰基n E小 共振位置在低场 由两个2p 原子轨道生成的 键键级 两个 键键级 3 2p轨道电子密度的影响 电子密度增加 2p轨道扩大 r 3减小 p 亦减小 去屏蔽弱 其共振位置在高场 例 化学位移与 电子密度的线性关系 电负性取代基 2 Q的影响 QAA相差不大 QAB则变化较大 3 2 2链状烷烃及其衍生物 影响化学位移的因素1 取代基的电负性 电负性越强 位碳原子的 C越移向低场 位碳原子的 C稍移向低场 Sp3carbonscanresonatecloseto sp2 regioniftheycarryanumberofelectronegativesubstituents 2 空间效应a 取代烷基的密集性 取代烷基越大 分枝越多 C也越大 例 伯碳 仲碳 叔碳 季碳 b 旁式效应 各种取代基团均使 碳原子的共振位置稍移向高场 14 0ppm 20 3ppm 3 超共轭效应 第二周期杂原子 N O F 的取代 使 碳原子的高场位移比烷基取代更明显 4 重原子 卤素 效应 碳原子上面的氢被碘 溴 取代后 C反而移向高场 3 2 3环烷烃及取代环烷烃 s a 直立 和e 平伏 K 仅用于两个 或两个以上 甲基取代的空间因素校正项 四员环到十七员环的 值无太大变化 取代环己烷的计算 大基团的取代使被取代碳原子的值有较大增加 3 2 4烯烃及取代烯烃 1 的范围及影响因素1 乙烯 123 3ppm 取代乙烯 100 150ppm 2 C CH CH2 3 与相应烷烃相比 除了 碳原子的 值向低场位移4 5ppm 其它 碳原子 的 值一般相差在1ppm以内 4 共轭效应 形成共轭双键时 中间碳原子键级减小 共振移向高场 2 取代烯烃 C的近似计算 3 2 5苯环及取代苯环 1 的范围及影响因素1 苯 128 5ppm 取代苯环 100 160ppm 被取代碳原子 值有明显变化 邻 对位碳原子 值有较大变化 间位碳原子 值几乎不变化 2 一般 取代基电负性越强 被取代碳原子 值越大 3 取代基烷基分枝多 被取代碳原子 值增加较多 4 重原子效应 被碘 溴取代的碳原子 值向高场位移 5 共振效应 第二类取代基使邻 对位碳原子 值向高场位移 第三类取代基则使邻 对位碳原子 值向低场位移 6 电场效应 例 硝基取代的邻位碳原子 值移向高场 2 取代苯环 C的近似计算 苯环碳谱出峰数目 无对称性 6个峰单取代 4个峰对位取代 4个峰邻位相同取代基 3个峰间位三相同取代基 2个峰 单个苯环不可能只有5个碳峰 羰基碳原子的共振位置在最低场 3 2 6羰基化合物 原因 1 羰基n E小 共振位置在低场2 共振效应 羰基碳原子缺电子 r 3变大 p 增大 羰基与具有孤对电子的杂原子或不饱和基团相连 羰基碳原子的电子短缺得以缓和 共振移向高场方向 3 2 7氢键及介质的影响1 由于氢键的形成 羰基碳原子更缺少电子 共振移向低场 2 介质的影响 3 3碳谱中的耦合现象及各种去耦方法3 3 1碳谱中的耦合现象CHn基团是最典型的AXn体系 耦合常数 例 CH4 sp3 s 25 1J 125HzCH2 CH2 sp2 s 33 1J 157HzC6H6 sp2 s 33 1J 159HzCH CH sp s 50 1J 259Hz 3 3 2宽带去耦 Broadbanddecoupling 在测碳谱时 如以一相当宽的频带 覆盖样品中所有氢核的共振频率 相当于自旋去耦的 X 照射样品 则13C和1H之间的耦合被全部去除 每个碳原子仅出一条共振谱线 因此又称为质子噪声去耦 protonnoisebanddecoupling 3 3 2偏共振去耦 Off resonancedecoupling 偏共振去耦的目的是降低1J 改善因耦合产生的谱线重叠而又保留了耦合信息 从而确定碳原子级数 3 4核磁共振碳谱的解析 解析步骤 1 区分出杂质峰 溶剂峰 不要遗漏季碳的谱线 2 计算不饱和度3 分子对称性的分析 若谱线数目少于元素组成式中碳原子的数目 说明分子有一定的对称性 4 碳原子级数的确定 活泼氢数目的确定 5 碳原子 值的分区 6 推出结构单元 组合可能的结构式 7 对推出的结构进行碳谱指认 C8H19N 13Cchemicalshifts ppm C11H14O2 13Cchemicalshifts ppm 第五章有机质谱法OrganicMassSpectroscopy 优点 1 分析范围广 气体 液体 固体 2 测定分子量 确定分子式3 分析速度快 灵敏度高4 各种联用技术5 新的电离 检测技术 5 1基本知识5 1 1质谱仪的主要性能指标1 质量范围 massrange 质谱仪所能测定的离子质荷比的范围 四极质谱 1000以内离子阱质谱 6000飞行时间质谱 无上限 2 分辨率 resolution 分辨率R是指分离质量数为M1及M2的相邻质谱峰的能力 若近似等强度的质量分别为M1及M2的两个相邻峰正好分开 则质谱仪的分辨率定义为 说明 1 R10 两峰间的峰谷高度为峰高的10 时的测定值 2 一般难以找到两个质量峰等高 且重叠的谷高正好等于峰高的10 则定义 低分辨率质谱仪 R10000 FT ICRMS R可达1 106 利用高分辨率质谱仪可测定精确的质量数 分子式 质荷比均为28的分子 CO 27 9949N2 28 0062C2H4 28 0313 3 灵敏度 sensitivity 对于一定样品 如硬脂酸甲酯 在一定的分辨率情况下 产生一定信噪比 如10 1 的分子离子峰所需的样品量 5 1 3有机质谱中的各种离子 3 碎片离子 fragmention 泛指由分子离子破裂而产生的一切离子 狭义的碎片离子指由简单断裂产生的离子 4 重排离子 rearrangemention 经重排反应产生的离子 其结构不是原分子结构单元 5 母离子 parention 与子离子 daughterion 任何一离子进一步产生某离子 前者称为母离子 后者称为子离子 6 亚稳离子 metastableion 是从离子源出口到检测器之间产生的离子 7 奇电子与偶电子离子 odd andeven electronion 具有未配对电子的离子称为奇电子离子 不具有未配对电子的离子称为偶电子离子 8 多电荷离子 multiply chargedion 失掉两个以上电子的离子称为多电荷离子 9 同位素离子 isotopicion 当元素具有非单一的同位素组成时 产生同位素离子 5 2电离过程5 2 1电子轰击电离 electronimpactionization EI 质谱中最常用的离子源 一般为70eV的电子束 远大于大多数有机化合物的电离电位 7 15eV 会使相当多的分子离子进一步裂解 产生广义的碎片离子 优点 1 结构简单 稳定 电离效率高 易于实现 2 质谱图再现性好 便于计算机检索及比较 3 离子碎片多 可提供较多的分子结构信息 缺点 当样品分子稳定性不高时 分子离子峰的强度低 甚至不存在分子离子峰 5 2 2化学电离 chemicalionization CI 化学电离是通过离子 分子反应来完成的 反应气体一般是甲烷 异丁烷 氨等 优点 1 准分子离子峰强度高 便于推算分子量 2 用于色质联用仪器上 载气不必除去 可作为反应气体 3 反映异构体的差别较EI谱要好些 缺点 碎片离子峰少 强度低 5 2 3场电离 fieldionization FI 和场解吸 fielddesorption FD 场电离 是一种软电离技术 当样品蒸汽邻近或接触到带高正电位的金属针时 由于高曲率的针端产生很强的电位梯度 样品分子可被电离 优点 电离快速 适合于和气相色谱联机 缺点 要求样品汽化 灵敏度低 场解吸 原理与FI相同 但样品是被沉积在电极上 FD适用于难汽化的 热不稳定样品 FD的准分子离子峰比FI的强 质谱图比FI的还要简单 SIMS 原理类似于FAB 但用重离子取代原子进行轰击 可用于固体表面分析和溶液样品的分析 5 2 5基质辅助激光解吸电离 matrix assistedlaserdesportionionization MALDI 在一个微小的区域内 在极短的时间间隔 激光可对靶物提供高的能量 对它们进行极快的加热 可以避免热敏感的化合物加热分解 MALDI的方法 将被分析化合物的溶液和某种基质溶液相混合 蒸发掉溶剂 则被分析物质与基质形成晶体或半晶体 用一定波长的脉冲式激光进行照射 基质分子能有效地吸收激光的能量 并间接地传给样品分子 从而得到电离 优点 1 使一些难于电离的样品电离 且无明显的碎裂 从而得到完整的被分析化合物分子的电离产物 2 特别适用于与飞行时间质谱相配 MALDI TOFMS 5 2 6大气压电离 atmosphericpressureionization API 主要应用于高效液相色谱HPLC与质谱仪的联用 1 电喷雾电离 electrosprayionization ESI 从雾化器套管的毛细管端喷出的带电液滴 随着溶剂的不断快速蒸发 液滴迅速变小 表面电荷密度不断增大 由于电荷间的排斥作用 就会排出溶剂分子 得到样品的准分子离子 通常小分子得到带单电荷的准分子离子 而大分子则得到多种多电荷离子 检测质量可提高几十倍 ESI是很软的电离方法 通常无碎片离子峰 只有整体分子的峰 十分有利于生物大分子的质谱测定 2 大气压化学电离 atmosphericpressurechemicalioniza tion APCI 喷出的液滴先汽化 随后溶剂分子被电离 发生CI过程 要求样品汽化 适用于弱极性的小分子化合物 5 3质量分析器5 3 1单聚焦 single focusing 和双聚焦 double focusing 质量分析器单聚焦质量分析器使用扇型磁场 结构简单 操作方便 但是分辨率低 双聚焦质量分析器使用扇型电场及扇型磁场 分辨率高 其缺点是价格贵 操作和调整比较困难 5 3 2四极质量分析器 quadrupolemassanalyzer 由四跟平行的棒状电极组成而得名 与扇型磁场的质量分析器的原理完全不同 优点 1 结构简单 容易操作 价格便宜 2 仅用电场而不用磁场 无磁滞现象 扫描速度快 适合与色谱联机 3 操作时的真空度相对较低 特别适合与液相色谱联机 缺点 1 分辨率不高 2 对较高质量的离子有质量歧视效应 5 3 3离子阱 iontrap 离子阱与四极质量分析器的原理类似 因此也称为四极离子阱 quadrupoleiontrap 或因其储存离子的性质而称为四极离子储存器 quadrupoleionstorage QUISTOR 优点 1 单一的离子阱可实现多极 时间上 的串联质谱 2 结构简单 价格便宜 性能价格比高 3 灵敏度高 较四极质量分析器高达10 10000倍 4 质量范围大 可达6000 缺点 质谱与标准谱有差别 5 3 4傅立叶变换离子回旋共振质谱计 Fouriertransformioncyclotronresonance FT ICR 通过同时激发分析时内的所有质荷比的离子 通过对检测信号进行傅立叶变换得到质谱图 优点 1 分辨率极高 可达1 106 但不导致灵敏度下降 2 可实现多极 时间上 的串联质谱 3 可采用各种电离源 便于与色谱仪器联机 4 灵敏度高 质量范围宽 速度快 性能可靠 5 3 5飞行时间质谱计 timeofflight TOF MS 用一个脉冲将离子源中的离子瞬间引出 经加速电压加速 它们具有相同的动能进入漂移管 质荷比小的离子具有最快的速度因而首先到达检测器 质荷比大的离子则最后到达检测器 优点 1 原理上检测离子的质荷比没有上限 2 特别适合于与脉冲产生离子的电离源 MALDI TOF 3 灵敏度高 适合于作串联质谱的第二级 4 扫描速度快 适合研究极快过程 5 结构简单 易于维护 缺点 分辨率随质荷比的增加而降低 5 4亚稳离子及其检测 在质量分析器的无场区内发生碎片离子的进一步裂解时 可观测亚稳离子峰 到由亚稳离子峰可得到碎片离子之间的重要信息 对于推测结构由重大帮助 式中m1 母离子m2 子离子N 中性碎片 其质量为m1 m2 亚稳离子 第六章质谱图分析 6 1确定分子量和元素组成式6 1 1由EI谱确定分子量在EI谱中 分子离子峰在数值上等于分子量 2 和低质量离子的关系 1 合理的中性碎片 小分子或自由基 的丢失 M 3到M 13 M 20到M 25之内不可能有峰 2 分子离子应具有最完全的元素组成 3 多电荷离子按电荷修正后所得到的质量数应小于或等于分子离子质量数 3 应用氮规则当化合物不含氮或含偶数个氮时 其分子量为偶数 当化合物含奇数个氮时 其分子量为奇数 4 分子离子峰的强度和化合物的结构类型密切相关 1 芳香化合物 共轭多烯 脂环化合物 短直链烷烃 某些含硫化合物 通常给出较强的分子离子峰 2 直链的酮 酯 醛 酰胺 醚 卤化物等通常显示分子离子峰 3 脂肪族且分子量较大的醇 胺 亚硝酸酯 硝酸酯等化合物及高分支链的化合物通常没有分子离子峰 当EI谱中未出现分子离子峰时 1 降低电子能量 通常为70eV 2 样品化合物衍生化 3 采用软电离技术 Massspectrumofethylacetateasafunctionofelectronenergy 6 1 2由ESI谱多电荷离子峰簇求分子量对于高分子量的化合物 它们通过ESI 得到多电荷离子形成的峰簇 当ESI时 样品分子 分子量为M 会与n个带电质点 当低pH值时 为H 其质量为X 1 相结合 在ESI谱上 离子的 表观 质荷比为 任取相邻二峰 有n2 n1 1 左边的峰对应n2 则 可求得 ESImassspectrumofaprotein cytochromec molecularweightapproximately12360Da examined a atlowresolutionand b athighresolutionoveranarrowrange 6 1 3解析软电离的谱图得到分子量正离子谱稍复杂 解析时注意以下几点 1 正离子谱较易产生 M H 2 当 M H M H 不能判断时 根据软电离条件 常可找出分子量 如CI 甲烷为反应气体时 往往生成 M C2H5 M C3H5 3 对于较高分子量的样品 可能同时生成 M H M 2H 2 M 3H 3 等 6 1 4由高分辨质谱数据确定分子式 6 1 5峰匹配法 peakmatching CI withisobutaneasthereagentgas andEImassspectraofC6H5CH2CH2CH2CH2CH3 6 1 6用低分辨质谱数据推测未知物元素组成 1 利用元素分析数据求元素组成 2 利用碳谱 氢谱数据 3 利用同位素峰簇有机化合物中的常见元素通常不只含一种同位素 因此分子离子峰或碎片离子一般都以同位素峰簇的形式存在 设某一元素有两种同位素 在某化合物中含有m个该元素的原子 则分子离子同位素峰簇各峰的相对强度为 式中a为轻同位素的相对丰度 b为重同位素的相对丰度 若化合物含有i种元素 它们都具有非单一的同位素组成 则总的同位素峰簇各峰之间的强度可用下式表示 多卤化合物的同位素峰簇可用上式描述 多卤化合物的分子离子峰可能不是峰簇中的最强峰 除溴化物和多氯化合物及特殊情况 所含碳原子数超过100 之外 同位素峰簇中的最强峰为分子离子峰 observed simulated 从低分辨质谱数据 同位素峰簇各峰的强度比 推测元素组成 从M 1峰与M峰强度的比值估算分子中含碳的数目 式中I M 1 和I M 分别表示M 1峰和M峰的相对强度 由C H N O S元素组成的化合物CxHyNzOwSs 其同位素峰簇各峰的相对强度可近似表示为 注意事项 1 当M峰强度低 而M 15峰强度不低时 表明分子易失去甲基 此时可用M 14峰和M 15峰的强度来计算 其结果加1即是分子中的含碳数 2 当分子含Cl Br等杂原子 而M 1峰又较强时 要考虑M 1峰因Cl Br等在M 1峰中的贡献 应予以扣除 3 由M 2峰与M峰强度的比值可估算S Cl Br的数目 4 若测试时为除噪音信号扣去某一阈值 则峰强度失真 不能用上述公式计算 5 由于杂质或其它因素的影响 M 1或M 2峰的强度会比预期值略高 其它元素的存在或数目的推测 1 氟的存在可从分子离子失去20 50u 分别对应失去HF CF2 而证实 2 碘的存在可从分子离子失去M 127得到证实 另外 化合物含碘将有一个较低的I M 1 I M 值 3 若存在m z31 45 59 的离子 说明有醇 醚形式的氧存在 从分子量与已知元素组成质量的较大差额也可估计氧原子的存在个数 4 从分子量与上述元素组成的质量差额可推测氢原子数目 6 2有机质谱中的反应及其机理6 2 1概述1 离子正电荷位置的表示 2 电子转移的表示 一个电子的转移 一对电子的转移 1 均匀断裂 匀裂 homolyticcleavage 2 非均匀断裂 异裂 heterolyticcleavage 3 半非均匀断裂 半异裂 hemiheterolyticcleavage 3 有机质谱主要涉及单分子反应除少数特殊情况 如化学电离 碰撞活化等 之外 有机质谱的主要反映为单分子反应 4 初级碎裂与次级碎裂分子被电离的同时 具有过剩的能量 分子离子会自行碎裂 这就是初级碎裂 碎裂可粗分为简单断裂和重排 由简单断裂和重排产生的离子 统称为广义的碎片离子 可进一步碎裂 再次断裂 重排 这就是次级碎裂 6 2 2简单断裂发生简单断裂时仅一根化学键断开 简单断裂反应的产物系分子中原已存在的结构单元 分子离子是奇电子离子 它经简单断裂产生一个自由基和一个正离子 该正离子为偶电子离子 当化合物含一个氮原子时 分子离子为奇质量数 分子离子经简单断裂所产生的自由基和偶电子离子之中 含氮原子的具有偶质量数 不含氮原子的 仍为奇质量数 1 简单断裂的引发机制 1 自由基引发 断裂 反应的动力来自自由基强烈的电子配对倾向 例含饱和杂原子的化合物 含不饱和杂原子的化合物 含碳 碳不饱和键的化合物 2 电荷引发 诱导效应 i断裂 进行i断裂时 一对电子发生转移 i断裂和 断裂是相互竞争的反应 一般讲 i断裂的重要性小于 断裂 断裂的大致顺序 N S O R Cl Br Ii断裂的大致顺序 卤素 S O N C 3 当化合物不含O N等杂原子 也没有 键时 只能发生 断裂 当化合物含有第三周期以后的杂原子如Si P S等 C Y 键的电离已可以和Y上未成键电子对的电离竞争时 C Y键之间也可以发生 断裂 2 简单断裂的规律 1 含杂原子的化合物存在三种断裂方式 邻接杂原子的C C键 C上的另一根键 发生断裂 断裂 质谱中很常见 正电荷一般在含杂原子的一侧 杂原子两侧的烷基都可发生 断裂时 大的烷基优先脱去 杂原子和碳原子之间的单键断开 正电荷在烷基一侧 i断裂 杂原子和碳原子之间的单键断开 正电荷在杂原子一侧 类似 断裂 这种断裂方式较为少见 规律 杂原子和碳原子以双键相连 只能进行 饱和杂原子则有不同倾向 a 当X为周期表上方偏左 如N O 发生 的可能性大 当X为周期表右下方 则发生 的可能性大 b 杂原子连接氢原子时 发生 的可能性大 杂原子连接烷基时 发生 的可能性大 c 烷基R所对应的离子R 稳定性高时 易发生 反之则易发生 NH2 NHR NR1R2 OH OR SR 的几率更大些 RI RBr 2 邻接碳 碳不饱和键的C C键易断裂 断裂 共振的结构式越多 离子的稳定性越高 3 邻接苯环 杂芳环的C C键易断裂 同 2 4 碳链分枝处易发生断裂 某处分枝愈多 该处愈易断裂 5 饱和环易于在环与侧链连接处断裂 同 4 6 当在某分枝处有几种断裂的可能时 逐出大的基团是有利的 进行该反应的可能性也就较大 6 2 3重排 rearrangement 1 重排的特点重排同时涉及至少两根键的变化 在重排中既有键的断裂也有键的生成 重排产生了在原化合物中不存在的结构单元的离子 最常见的是脱离中性小分子的重排反应 脱离中性小分子所产生的重排离子是奇电子离子 脱离掉的中性小分子及所产生的重排离子均符合氮规则 从离子的质量数的奇 偶性可区分经简单断裂所产生的碎片离子和脱离中性小分子所产生的重排离子 2 McLafferty重排麦式重排可产生两种重排离子 其通式为 说明 D E代表一个双键 或叁键 基团 C可以是碳原子也可以是杂原子 H是相对于不饱和键 位置碳原子A上的氢原子 只要满足条件 不饱和基团及其 氢的存在 发生麦式重排的几率较大 重排离子如仍满足条件 可再次发生该重排 麦式重排有生成两种离子的可能性 但含 键的一侧带正电荷的可能性大些 3 逆Diels Alder反应 Retro Diels Alder RDA 当分子中存在含一根 键的六员环时 可发生RAD反应 这种重排反应为 说明 该重排正好是Diels Alder反应的逆反应 含原双键的部分带正电荷的可能性大些 当存在别的较易引发质谱反应的官能团时 RDA反应则可能不明显 4 某些含杂原子的化合物 失去中性分子 消去反应 常见的有醇失水或醇失水及乙烯 苯环的 邻位效应 5 四员环重排含饱和杂原子的化合物 当与杂原子相连的烷基长于两个碳时 在杂原子与碳链断裂的同时 氢原子经四员环转移和杂原子结合 失去乙烯 或取代乙烯 生成含杂原子的碎片离子 这种重排虽然发生于含杂原子的分子离子中 但概率不大 它主要发生于含杂原子的碎片离子 含杂原子的化合物经简单断裂生成的含杂原子的碎片离子 是偶电子离子 不能再失去自由基 只能丢失中性小分子 四员环重排就是一个重要途径 6 自由基引发或正电荷诱导 经过五 六员环过渡态氢的重排 7 两个氢原子的重排这种重排在乙酯以上的羧酸酯较易找到 在碳酸酯 磷酸酯 酰胺 酰亚胺及其它含不饱和键的化合物都可能发生 该重排产生的离子比相应的简单断裂产生的离子质量数大2 8 其它重排 非氢重排 无规重排 链状氯化物 溴化物较易发生成环的重排 X Cl Br SH NH2 6 2 4脂环化合物的复杂断裂脂环化合物需经两次开裂才能掉下碎片 一般在断裂前还经历氢原子的转移 从空间因素考虑 氢原子的转移易发生在 位或其附近 6 2 5初级碎片离子的后续分解偶电子规则 离子进一步分解与离子的电子配对情况有关 一般讲 偶电子离子的稳定性较高 反应性较低 奇电子离子则稳定性较差 具有较高的反应活性 奇电子离子可以逐出一个自由基或中性分子相应产生偶电子离子或奇电子离子 偶电子离子则只能逐出中性分子生成偶电子离子 而逐出自由基生成奇电子离子一般是不可行的 6 3常见官能团的质谱裂解模式6 3 1烷烃1 直链烷烃的质谱特点 直链烷烃显示弱的分子离子峰 直链烷烃的质谱由一系列峰簇 CnH2n 1 CnH2n CnH2n 1 组成 峰簇之间差14个质量单位 峰簇中CnH2n 1为最高峰 各峰簇的顶端形成一平滑曲线 最高点在C3或C4 比分子离子峰质量数低的下一个峰簇顶点是M 29 而有甲基分枝的烷烃将有M 15 2 分枝烷烃的质谱特点 分枝烷烃的分子离子峰较直链烷烃降低 各峰簇顶点不再形成一平滑曲线 因在分枝处易断裂 其离子强度增强 在分枝处的断裂 伴随有失去单个氢的倾向 产生较强的CnH2n离子 有时可强于相应的CnH2n 1离子 3 环烷烃的质谱特点 由于环的存在 分子离子峰的强度相对增加 通常在环的支链处断开 给出CnH2n 1峰 也常伴随氢原子的失去 有较强的CnH2n 2峰 环的碎化特征是失去C2H4 也可能失去C2H5 6 3 2不饱和脂肪烃1 链状不饱和脂肪烃的质谱特点 双键的引入 可增加分子离子峰的强度 仍形成间隔14质量单位的一系列峰簇 但峰簇内最高峰为CnH2n 1 当相对双键 C原子上有氢时 可发生McLafferty重排 顺式 反式的质谱很类似 2 环状不饱和脂肪烃的质谱特点 当符合条件时环状不饱和脂肪烃可发生RDA反应 环状不饱和脂肪烃支链的质谱碎裂反应类似于链烃的断裂方式 6 3 3含饱和杂原子的脂肪族化合物杂原子与相邻碳原子以 键相连的化合物的分子离子峰都较低 甚至不出现 烃基部分有相应的碎片 1 简单断裂 断裂胺类 30 14n醇类 醚类 31 14n硫醇 硫醚 47 14n i 断裂 断裂 6 3 4含不饱和杂原子的脂肪族化合物这些化合物一般都可见分子离子峰 断裂 离杂原子较远处的C C键的断裂 MaLafferty重排 脱离小分子的重排 两个氢原子的重排 6 3 5烷基苯 分子离子峰较强 简单断裂生成苄基离子当苯环连接CH2时 m e91的峰一般都较强 MaLafferty重排当相对苯环存在 氢时 m e92的峰有相当强度 苯环碎片离子依此失去C2H2化合物含苯环时 一般可见m e39 51 65 77等峰 6 3 6杂原子取代的芳香族化合物1 杂原子取代基在侧链上杂原子取代基不直接连苯环 可按脂肪族化合物的规则进行讨论 质谱为取代侧链和烷基苯所产生离子的加和 2 杂原子直接连在苯环上最经常发生的质谱反应是脱掉小分子 多为重排反应 3 多取代当两个基团处于邻位时 常有邻位效应 当两个基团处于间 对位时 可按单取代考虑 6 4质谱图的解析质谱图解析的方法和步骤1 分子离子峰的确定2 分子式的确定3 质谱图的总体判断芳环的判断 m e39 51 65 77 脂肪基团的系列峰4 研究重要