质谱的图谱分析

1 概述 质谱法是有机化合物结构分析的最重要的方法之一 它能准确地测定有机物的分子量 提供分子式和其他结构信息 它的测定灵敏度远高于其他结构分析方法 如红外 核磁等 学习有机质谱的目的就是学会利用质谱谱图所提供的信息进行有机化合物的结构鉴定 包括元素组成和一级结构的推导 2 空气的质谱图 空气的质谱图 3 横坐标表示m z 由于分子离子或碎片离子在大多数情况下只带一个正电荷 所以通常称m z为质量数 对于低分辨率的仪器 离子的质荷比在数值上就等于它的质量数 纵坐标表示离子强度 在质谱中可以看到几个高低不同的峰 纵坐标峰高代表了各种不同质荷比的离子丰度 离子流强度 4 离子流强度有两种不同的表示方法 1 绝对强度是将所有离子峰的离子流强度相加作为总离子流 用各离子峰的离子强度除以总离子流 得出各离子流占总离子流的百分数 2 相对强度以质谱峰中最强峰作为100 称为基峰 该离子的丰度最大 最稳定 然后用各种峰的离子流强度除以基峰的离子流强度 所得的百分数就是相对强度 5 表示方法 以上图为例 m z14 4 0 m z28 100 m z33 0 02 16 0 8 29 0 76 34 0 99 20 0 8 32 23 40 2 0 44 0 10 括弧中的数字即峰的相对强度 表示100 者是基峰 N2在空气中含量最高而且也最稳定 32 是O2 在空气中占1 5 N2占4 5 N2的峰高为100 O2就占N2的23 现在一般的质谱图都以相对强度表示 并以棒图的形式画出来 6 有机质谱提供分子结构的信息包括 分子量元素组成由裂解碎片检测官能团 辨认化合物的类型 推导碳骨架 7 对于有机质谱最经典 使用最广泛的是电子轰击法 EI EI法的特点 方法成熟 无论是理论研究 仪器设备 还是资料积累都比较完善 至今出版的质谱标准图集基本上是70eV的电子轰击质谱图 谱图中有较多的碎片离子 能提供丰富的结构信息 灵敏度高 能检测纳克级样品 重复性好 相对于其他电离技术 EI的重复性最好 EI法的缺点 70eV的轰击电子能量较高 使某些化合物的分子离子检测不到 造成分子量测定的困难 EI法要求样品先气化然后才能电离 受热易分解 或者是不能气化的物质都不适宜用电子轰击法电离 8 质谱常用术语 分子离子被电离了的分子 表示分子离子带一个电子电量的正电荷 表示它有一个不成对电子 碎片离子由分子离子在离子源中碎裂生成的 奇电子离子外层有未成对电子的离子 偶电子离子外层电子全部成对的离子 同位素峰元素组成中含有一个非最高天然丰度的同位素 亚稳峰m 离子在质谱仪的无场漂移区中分解而形成的峰 母离子在任一反应中发生分解的离子 子离子离子碎裂反应产生的离子 9 基峰谱图中表现为最高峰度离子的峰 负离子通过电子捕获及电离时形成离子对等机理产生的 含电负性原子F Cl O N等的化合物产生负离子的产率较高 准分子离子 M H 简单断裂仅涉及一个键断裂的离子分解反应重排指一个反应 其离子或中性产物中的原子排列与前体离子不同 断裂与奇电子原子邻接原子的键断裂 化学均裂转移一个电子 i断裂涉及到一对电子的转移 是化学键异裂的 同时正电荷位置发生转移 全箭头 电子对转移 鱼钩 单个电子转移r db环加双键数 10 关于离子的电荷位置 一般认为有下列几种情况 如果分子中含有杂原子 则分子易失去杂原子的未成键电子而带电荷 电荷位置可表示在杂原子上 如CH3CH2O H 如果分子中没有杂原子而有双键 则双键电子较易失去 则正电荷位于双键的一个碳原子上 如果分子中既没有杂原子又没有双键 其正电荷位置一般在分支碳原子上 如果电荷位置不确定 或不需要确定电荷的位置 可在分子式的右上角标 例如CH3COOC2H5 11 质谱的解析是一种非常困难的事情 自从有了计算机联机检索之后 特别是数据库越来越大的今天 尽管靠人工解释EI质谱已经越来越少 但是 通过对化合物分子断裂规律的了解 作为计算机检索结果的检验和补充手段 质谱图的人工解释还有它的作用 特别是未知化合物质谱的解释 另外 在MS MS分析中 对于离子谱的解释 目前还没有现成的数据库 主要靠人工解释 因此 学习一些质谱解析方面的知识 在目前仍然是有必要的 12 质谱的图谱分析 1 分子离子峰 分子失去一个价电子而生成的离子称为分子离子M 作为分子离子的必要条件 必须是谱图中最高质量的离子 必须是奇电子离子符合氮规则必须能够通过丢失合理的中性碎片 产生谱图中高质量区的重要离子 13 分子离子峰丰度大小排列 芳香化合物 共轭双键 脂环化合物 直链烷烃 硫醇 酮 胺 酯 酸 分支烷烃 醇分子离子的丰度主要取决于其稳定性和分子电离所需的能量 因此分子离子的强弱提供了分子结构的信息 一般情况下 分子的稳定性与分子离子的稳定性有平行关系 分子离子的稳定性通常随不饱和度和环的数目的增加而增大 杂原子外层未成键电子被电离的容易程度 按周期表纵列自上而下 横行自右而左的方向增大 14 分子电离所需的能量越低 分子离子也越高 15 M 1峰 醚 酯 胺 酰胺 腈化物 氨基酸酯 胺醇M 1峰 醛氮规则 只有C H O 组成的化合物 其分子离子峰质量数为偶数 C H O N组成的 N为奇数 则分子离子峰质量数为奇数 N为偶数 则分子离子峰质量数为偶数 16 例 试判别三张质谱图中质荷比最大的离子是否为分子离子 已知三个化合物均不含氮原子 17 2 离子特征丢失与化合物的类型质谱高质量端离子峰是由分子离子失去碎片形成的 从分子离子失去的碎片 可以确定化合物中含有哪些取代基M 1 H醛类 一些醚类和胺类 M 15 CH3甲基取代M 18 H2O醇类M 28 C2H4 CO N2失C2H4 McLafferty重排 失CO 从酯环酮脱下 M 29 CHO C2H5醛类 乙基取代物M 34 H2S硫醇M 35M 36 Cl HCl氯化物M 43 CH3CO C3H7甲基酮 丙基取代物M 45 COOH羧酸M 60 CH3COOH醋酸酯 羧酸 18 3 特征离子与化合物类型研究低质量端离子峰 寻找不同化合物断裂后生成的特征离子和特征离子系列 例如 正构烷烃的特征离子系列为m z15 29 43 57 71等 烷基苯的特征离子系列为m z91 77 65 39等 根据特征离子系列可以推测化合物类型 离子质量元素组成结构类型29CHO醛30CH2NH2伯胺43CH3CO C3H7CH3CO 丙基取代物29 43 57 71等C2H5 C3H7等正烷烃39 50 51 52 65 77芳香族裂解产物结构中含有芳环60CH3COOH羧酸 乙酸酯 甲酯91C6H6CH2苄基105C6H5CO苯甲酰基 19 4 亚稳离子峰 m 在离子源中形成 并在到达检测器时还没有发生进一步碎裂的离子就是稳定离子 如果某个离子在离子源中就已经发生碎裂 那么它就是不稳定离子 第三种情况 即某个离子在从离子源到检测器的运动中发生了碎裂 这种离子称亚稳离子 亚稳离子的平均寿命为5x10 6s 介于稳定离子和不稳定离子之间 亚稳离子是研究质谱碎裂机理的重要手段 它能指示发生碎裂的离子 母离子 与产物离子 子离子 之间的关联 亚稳离子必须用特殊的实验技术才能检测 亚稳离子峰的质量数通常不是整数 其峰形不是一个尖峰 而是一个跨几个质量数的宽峰 20 M 离子的表观质量数值与m1 母离子 和m2 子离子 离子间有下列关系 M m22 m1满足上式证明m2离子是直接由m1离子产生的 由于M 的测量精度较差 所以在实际的亚稳离子的测量中 往往是设计一些方法直接由母离子找子离子 或由子离子找母离子来确定离子间的亲缘关系 质量分析离子动能谱 MIKES 反置 VBE 双聚焦系统第二无场所加速电压V和磁场B固定不变 仅扫描静电场电压 由母找子B E联动扫描 第一无场所加速电压固定不变 B E比值为常数联动扫描 由母找子B2 E联动扫描 第一无场所由子找母 加速电压固定不变 B E比值为常数联动扫描 串联质谱法实现产物离子检测 21 5 根据同位素相对强度进行化合物的元素鉴定 在组成有机化合物的常见元素中 许多元素有一个以上丰度显著的稳定同位素我们通常所说的纯物质仅指 化学纯 不考虑其组成元素的同位素 假如考虑同位素 则 化学纯 的物质变成了 混合物 由于质谱测定质荷比大小 因此能够区分各种同位素组成的离子 在质谱中我们规定以元素最大丰度的同位素质量计算分子离子和碎片离子的质荷比 其他同位素组成的离子称为同位素离子 22 常见元素的同位素及丰度 23 同位素离子的丰度是与组成该离子的元素种类及原子数目有关的 所以可通过测定同位素离子峰与分子离子峰的相对强度来推算分子离子的元素组成 分子中含有溴元素时 一个溴原子Pm Pm 21 1二个溴原子Pm Pm 2 Pm 41 2 1分子中含有氯元素时 一个氯原子Pm Pm 23 1二个氯原子Pm Pm 23 2分子中含有硫元素时 一个硫原子Pm Pm 2100 4 4二个硫原子Pm Pm 2100 8 8对含多个氯 溴原子的化合物 其质谱分子离子区域间隔两个质量数的质谱峰丰度比可以用二项式 a b n的展开来计算 a 某元素轻同位素的丰度 b 某元素重同位素的丰度 c 同位素个数 24 例 某化合物质谱分子离子区域的离子质荷比和强度如下 m z132 M 133134相对强度1009 90 7试推导分子式解 因 M 2 M 为0 7 100 所以分子中不含Cl Br S Si等A 2类元素 C原子数的最大值 M 1 M 1 1 9 9 100 1 1 9若分子中含C9 则其余元素的原子量总和为132 12 9 24 由N O H原子量推导出可能的分子式1 C9H242 C9H10N3 C9H8O1 不符合价键理论2 不符合氮规则3 合理的分子式 25 6 计算化合物的不饱和度 r dB 环加双键数不饱和度表示有机化合物的不饱和程度 计算不饱和度有助于判断化合物的结构 r dB 2x 2 y z 2x C Si y H F Cl Br I z N P 26 7 高分辨质谱测定离子的精密质量任何一种元素的同位素原子量并不正好等于整数 在计算原子量时人为规定12C的质量为12 00000000 其余同位素原子量是与12C相比较的相对原子量 例如1H的原子量为1 00782506 14N为14 00307407 16O为15 99491475 因而不同同位素原子组合可能有相同的整数质量 而小数点之后的尾数不同 例 N2 CO C2H4分子量28三种物质的精确分子量 N2 28 0061CO 27 9949C2H4 28 0313利用高分辨质谱 精确测量离子的质荷比 借助计算机 可快速 准确地确定离子的元素组成 高分辨质谱测定元素组成的方法的优点 不受样品中所含杂质的干扰可以同时测定分子离子和碎片离子的元素组成 对质谱解析特别有用 测定结果比同位素峰丰度计算法准确 27 有机质谱裂解的基本原理 质谱反应属单分子反应 EI源中蒸汽压很低 足以忽略双分子 或其他碰撞反应 一级分解产物代表了原分子中的部分结构 因而提供了分子结构的直接信息 当离子内能较低时 异构化反应能够和一级分解反应相竞争异构化后生成的二级离子产物可以是经重排的碎片离子 一些能够反映分子结构的专一性重排反应通常涉及到离子先直接异构化成某种特定的结构 而这种结构具有更为有利的分解途径 28 一 简单断裂的规律 发生简单断裂时仅一根化学键断开 分子离子是奇电子离子 经简单断裂产生一个自由基和一个偶电子离子 29 含杂原子的化合物存在三种断裂方式 1 邻接杂原子的C C键发生断裂 连接杂原子的 C上的另一根键 可能连接碳氢或另外的杂原子 发生断裂 正电荷常在杂原子的一侧 特例 C上氢原子失去 则产生离子还可见离杂原子更远的C C键断裂产生的离子 30 2 杂原子和碳原子之间的单键断开 正电荷在烷基一侧 烷基R所对应的离子R 稳定性高时易发生 31 3 杂原子和碳原子之间的单键断开 正电荷在杂原子一侧 32 邻接碳 碳不饱和键的C C键易断裂 共振的结构式越多 离子的稳定性越高 33 邻接苯环的C C键易断裂 杂芳环的情况和苯环类似 碳链分枝处易断裂 某处分枝愈多 该处愈易断裂 34 饱和环易在碳与侧链连接处断开 35 当在分枝处有几处断裂的可能性时 逐出大的基团是有利的 进行该反应的可能性也就较大 36 二 重排裂解重排的特点 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 重排反应的活化能低于简单断裂的活化能 37 McLafferty重排具有 H氢原子的側链苯 烯烃 环氧化合物 醛 酮等经过六元环状过渡态使 H转移到带有正电荷的原子上 同时在 原子间发生裂解 这种重排称为麦克拉夫悌重排裂解 条件 不饱和基团及其 氢的存在 38 D E代表双键或叁键C为碳原子或杂原子H相对双键 或叁键 位置碳原子 A 上的氢原子 39 40 逆Diel Alder反应 当分子中存在含一根双键的六元环可发生 经二次断裂 41 例1例2例3 42 某些含杂原子的化合物 失去中性分子 如醇失水或醇失水和乙烯 卤化物失卤化氢 腈化物失HCN 硫醇失H2S也属于此类 还有可能失去中性分子CH3COOH CH3OH CH2 C O等 43 四员环重排 含饱和杂原子的化合物 可以发生失去乙烯 或取代乙烯 的重排 这个过程通过四员环迁移发生 主要发生于含杂原子的碎片离子 44 重排产生的离子比相应的简单断裂产生的离子质量大2 两个氢原子的重排 45 其他重排 反应中重排的不是氢原子而是一个基团 常见的是烷基 在链状卤化物成环的重排 链状胺成环的重排 链状氰化物成环 烷基碎片离子失去氢分子 C3H7 C3H5 H2 46 三 脂环化合物复杂断裂 脂环化合物需经两次开裂才能掉下碎片 在断裂前经历氢原子的转移 氢原子转移发生在 位 47 48 简单断裂的引发机制 自由基引发 断裂 反应动力 自由基电子配对倾向电荷引发 诱导效应 i 断裂 涉及到正电荷对一对电子对的吸引 49 断裂和i 断裂是两种相互竞争的反应 断裂大致顺序N S O R Cl Br Ii 断裂 生成稳定的R 是有利的 i 断裂的顺序卤素 O S N CN一般进行 断裂 卤素易进行i 断裂 一般情况下 电负性强的元素诱导力也强 在有些情况下 诱导断裂和 断裂同时存在 由于i断裂需要电荷转移 因此 i断裂不如 断裂容易进行 表现在质谱中 相应 断裂的离子峰强 i断裂产生的离子峰较弱 50 断裂 键断裂需要的能量大 当化合物中没有 电子和n电子时 键的断裂才可能成为主要的断裂方式 断裂后形成的产物越稳定 这样的断裂就越容易进行 阳碳离子的稳定性顺序为叔 仲 伯 因此 碳氢化合物最容易在分支处发生键的断裂 并且 失去最大烷基的断裂最容易进行 51 a 断裂过程 烷烃的质谱会显示出m z15 29 43 57 71 一系列偶电子离子碎片 b 对于正烷烃 这些不同碎片的离子强