15章质谱法解析课件

1、 第四章质谱法 （mass spectra） 质谱：是把带电荷的分子或经一定方式裂解形成的碎片离子按照质荷比大小排列而成的图谱。 质谱法：是根据质谱图提供的信息，进行有机化合物及无机化合物定性和定量分析、化合物的结构分析等的方法。分子量、分子式及所含结构单元、推测出分子结构。第1页，共69页。 第一节质谱法的基本原理和质谱仪第2页，共69页。单聚焦质谱仪示意图。e- +- +。阴极阳极狭缝容器A放大器记录仪磁体收集狭缝D电子倍增管泵样品探针E狭缝B控制器相对强度质荷比加速电位推斥电位一、质谱的基本原理m/z=B2re/2V第3页，共69页。二、质谱的表示方法0 10 20 30 40 50 6

2、0 70 80 90 100M+1M+2基峰分子离子峰CH3(分子量92)第4页，共69页。三、质谱仪（一）真空系统保证质谱中裂解反应发生的是单分子反应。（二）样品导入系统 是质谱仪的进样系统，作用是高效重复地将样品引入到离子源中并且不能造成真空度的降低。间接式进样、直接探针进样、色谱联用进样系统。（三）离子源又称电离室 将进样系统引入的气态样品分子转化成离子，并使其具有一定的能量后，进入质量分析器。在离子源中，样品分子离子化方法有多种：第5页，共69页。1、电子轰击电离（EI）,又称电子电离MMMM+F+.M+F+F+e-e-e-e-e-e-S NS NMSVacc离子排斥电极磁体阴极电子接

3、收离子聚焦M+.分子离子碎片离子及亚稳离子M+（高速）（低速）第6页，共69页。电子轰击电离（EI）的优点： 有较多的与结构密切相关的碎片，对推测未知化合物结构具有重要意义。图谱重现性好、便于利用数据库实现计算机检索及图谱对比。 1）试样分子稳定性不高时，分子离子峰难以获得，丰度较低或难以测得分子离子峰。电子轰击电离（EI）的缺点： 2）不能气化的试样分子或热不稳定试样，无法获得分子离子峰。1、电子轰击电离（EI）,又称电子电离第7页，共69页。2、化学电离法（CI）CH4 + e CH4. + 2e CH4. + CH4 CH5 + CH3.CH5 + M CH4 + MH+ 化学电离时，试

4、样分子的电离是经过离子-分子反应而完成的。+X- + M M-H- + HX 化学电离法，生成的最大m/z的峰不是分子离子峰,而是(M+H)或(M-H)峰或其它峰,这些峰被称为准分子离子峰,在计算分子量时,应注意这一点.第8页，共69页。Ar+(高动能)+ Ar(热运动的) Ar (高动能)+ Ar+ (热运动的)3、快速原子轰法（FAB）进入质量分析器MMMMMMMH+MH+MXe探头=基质表面的分子快原子溶解于基质中的试样不锈钢靶FAB-MS的离子源特点: FAB质谱不仅出强的准分子离子峰，还产生大量碎片离子，这些碎片离子峰 对测定样品的结构是很有用的。第9页，共69页。 把试样与基质制成

5、共结晶体,用激光聚焦于试样表面,使试样由凝聚相解吸而形成离子.、基质辅助激光解析电离(MALDI)+脉冲激光TOF质量分析器与基质共结晶的样品离子30,000V 特点: 通常产生M+H+、M+Na+、M+K+、M+峰。 使一些难电离的试样电离，且无明显的碎裂，得到完整的被分析物的分子电离产物，第10页，共69页。1）速电喷雾电离(ESI)、大气压电离(API)热的N2真空度增加常压区干燥的氮气高度真空区To质量分析器真空泵喷雾3.5KV+ + + - -+ + + - -+ + + + + - -+ + + - -+ + + - -+溶剂与试样大的带电荷液滴浓缩带电液滴干燥,气态离子样品管路2

6、-3+电喷雾试样的电离过程ab小分子得到带单电荷准分子离子.生物大分子得到多电荷的离子在质谱图上得到多电荷离子簇.第11页，共69页。 2.大气压化学电离(APCI) 试样溶液是由具有雾化气套管的毛细管端流出,通过加热管时被气化.在加热管端进行电晕尖端放电,溶剂分子被电离.以后是化学电离过程,得到试样分子的准分子离子. 由于试样分子气化,大气压化学电离适合于弱极性的小分子化合物。 3.其它电离技术 第12页，共69页。（四） 质量分析器、四极质量分析器、U、V 优点：结构简单，体积小，重量轻，价格便宜，清洗方便，操作容易。 适合与气相毛细管色谱及液相色谱联机。 缺点：分辨率不够高，对较高质量的

7、离子有质歧视效应。第13页，共69页。 、离子阱质量分析器、优点： 1、单一的离子阱可实现多级串联质谱（MS）n。 2、结构简单，价格低，灵敏度高。 3、质量范围大。 缺点：所得质谱与标准谱图有一定差别，这是由于在 离子阱中生成的离子有较长的停留时间，可能 发生分子离子反应。第14页，共69页。 、质量范围：质谱仪能够进行分析的样品的相对原子质量或相对分子质量或最小到最大的质量范围 是接收由质量分析器分离的离子进行离子计数并转换成电压信号放大输出，经计算机采集和外理，得到按不同质荷比值排列和对应离子丰度的质谱图 （六）质谱仪的主要性能指标 （五）离子检测器 、灵敏度： 绝对灵敏度：仪器可以检测

8、到的最小样品量 相对灵敏度：仪器可以同时检测的大组分与小组分含量之比 分析灵敏度：指输入仪器的样品量与仪器产生的信号强度之比第15页，共69页。、质谱仪的分辨率定义为:R = M /M 所谓正好被分离，国际上大多采用10%谷底的定认，即该两种离子峰间的峰谷高度如低于两峰平均高度的10%，则认为该两种离子已被分离，反之，则认为未被分离。h2 h1a h = (h1+h2) / 2 100% 10%ah第16页，共69页。例如：质量数为100和101两种离子，则好被分离，仪器 分辨率为：R1001100若仪器的分辨率为10000，则该仪器分离质量数为100附近的两种相邻离子时，有下列关系：1000

9、0100MM0.01 这表示该仪器可以将质量数为100.00和100.01的两种离子分离第17页，共69页。 、质量准确度又称质量精度： 离子质量实测值与理论值M0的相对误差 质量精度0 实测值理论值员，其测定的质量精度为第18页，共69页。171428151618142928161214思考题：未知化合物A的质谱图未知化合物B的质谱图未知化合物C的质谱图第19页，共69页。第二节 质谱中的主要离子及其裂解类型一、质谱中的主要离子（一）分子离子 M e M.+ 2e m/e = 分子量 可测的精确分子量 （二）碎片离子 M M.+ 初级碎片离子 次级碎片离子裂解裂解第20页，共69页。(三)亚

10、稳离子1、亚稳离子（m*）的产生 质谱中的离子峰都是尖锐的，但也存在小数较宽的峰，且强度较低，m/z也不是整数值这类峰称为亚稳离子峰。2、如果裂解是在进入时磁场发生，生成的碎片离子就会在质荷比小于的地方被检出1、正常的裂解是在电离室中进行的。m1(母离子) m2(碎片离子)中性碎片3、m1、m2和m*之间的存在下列关系：m*=m22 / m1第21页，共69页。2、亚稳离子峰在解析质谱中的意义（1）亚稳定离子在质谱图中可出现亚稳离子峰，该峰可用来证明裂解过程。 （2）确定质谱中没出现的分子离子峰。(C6H5COCH3) (C6CH5) + COCH3(C6H5CO) (C6CH5) + CO苯

11、乙酮质谱中有m/z120,m/z105,m/z77m/z56.47出现亚稳离子峰m/z77m/z120m/z105m/z77第22页，共69页。（二）同位素离子1、同位素离子及同位素离子峰第23页，共69页。 例如：CH4 M=1612C+1H4=16 M13C+1H4=17 M+112C+2H+1H3=17 M+113C+2H+1H3=18 M+2同位素峰分子离子峰1、同位素离子及同位素离子峰1）C同位素峰M+1峰常见第24页，共69页。CH3CH2Cl=(M+2)/M=1:3含有一个氯原子（ 37Cl =32.5）CH3CH2Br=(M+2)/M=1:1含有一个溴原子（ 81Br =98）

12、 2)34S、37Cl、81Br丰度相当大，分子离子或碎片离子M+2峰强度相当大，所以通过M与M+2峰强度就容易判断化合物是否含有S、Cl、Br 含氯和溴的有机化合物一般有较强的M+2、M+4、M+6等离子峰。第25页，共69页。分子离子或碎片离子与同位素之间的丰度比为：( a + b )na-较轻元素丰度、b-较重元素丰度、n-卤素原子个数3）含氯和溴的化合物的同位素峰强度可用二项式展开式表示：如：CHCl3含有3个氯原子，35Cl丰度为75.4，37Cl丰度为24.6，二者丰度比为3：1，n3。(a + b)3=a3 + 3a2b + 3ab2 + b3=33+332 1+3312+13=

13、27+27+9+1即 M : M+2 : M+4 : M+6 = 27 : 27 : 9 : 1第26页，共69页。5-35 氯分子质谱图丰度90008000700060005000400030002000100000 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 1007072743537氯分子质谱图第27页，共69页。5-35 一氯甲烷质谱图丰度90008000700060005000400030002000100000 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90

14、 95 100151435375047一氯甲烷质谱图第28页，共69页。5-41 氯仿的质谱图丰度90008000700060005000400030002000100000 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200118120838587474835 氯仿的质谱图(同位素离子峰的相对强度)9:6:127:27:9:1第29页，共69页。5-26 溴分子质谱图丰度90008000700060005000400030002000100000 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1

15、00 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200160162158798179Br79Br(M)79Br81Br(M+2)81Br79Br(M+2)81Br81Br(M+4)M:(M+2):(M+4)=1:2:1第30页，共69页。二溴甲烷质谱图5-39 未知化合物质谱图丰度90008000700060005000400030002000100000 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200172174176959379811413-Br第31页，共69页。

16、练习题：化合物的MS谱图如下，试确定其分子式，并推测其结构，写出裂解过程，并指出已标明质荷比质谱峰的归属。71102未知物质谱图87745943m/zM(102)M+1(103)M+2(104) 相对丰度1005.640.53第32页，共69页。二、阳离子的裂解类型氮律（判断奇电子或偶电子离子）： 裂解方式上采用的符号和术语：电子转移的标记；奇电子离子；偶电子离子。离子电荷的表示：有机化合物失去电子的难易程度：第33页，共69页。 X YX+Y（一）单纯开裂1.均裂： XYX + Y XYX + Y .+.+或 XYX + Y.+.+. + . +.仅一个化学键发生断裂称为单纯开裂。2、异裂：

17、3、半异裂： 烷烃质谱上出现29,43,57系列峰，且断裂易发生在被取代碳原子上，并以失去大基团的开裂为优势开裂。第34页，共69页。（二）重排开裂重排开裂是两个化学键发生断裂，脱去一个中性小分子并同时发生重排的开裂。重排开裂有以下几种情况（一）麦式重排（）（）（）. 重排开裂生成的子离子与母离子在带电子的奇偶性和质量的奇偶性上成一致的关系第35页，共69页。如： H CH2 O O H CH2 C CH2 CH2 C CH2 CH3 H2 C CH3+.+.+CH2CH2CH2CH2 .CH2H+CH2+.+.NH2COOCH2CH2NHHOCH2 H .+ m/z149 m/z107 m/

18、z86 m/z58 m/z120 m/z92HO第36页，共69页。（二）逆狄尔斯阿尔德开裂（RDA） 具有环已烯结构的化合物能发生RDA开裂，一般都生成一个带正电荷的共轭二烯醇游离基和一个中性分子。如：第37页，共69页。第三节 质谱分析法一、分子式的确定（一）分子离子峰的识别1、分子离子峰的质量必须符合氮律。 芳香化合物共轭链烯烯烃脂环化合物直链烷烃酮胺酯醚酸支链烷烃醇。2、有机化合物分子离子峰的稳定性（相对强度）顺序：第38页，共69页。3、分子离子峰与其相邻质荷比较小的碎片离子的质量差应合理4、分子离子峰的强弱与实验条件有关，改变实验条件可以增强分子离子峰强度。5、 考虑准分子离子峰M

19、+1峰或M-1峰醚、脂、胺、酰胺、腈化物、氨基酸酯、胺醇等可能有较强的M+1峰。芳醛、某些醇等化合物强能有较强的M-1峰。第39页，共69页。（二）相对分子质量的测定（三）分子式的确定1、 由同位素离子峰确定分子式2、高分辨质谱仪精确测定相对分子质量第40页，共69页。1、烃类裂解方式:（1）烷烃常见离子有CnH+2n+1,CnH+2n-1, CnH+2n 特征离子峰为29,43，57，71，85.R-(CH2)n-CH2CH2-R R.+ R-(CH2)n-CH2CH2+ CH2=CH2+ R-(CH2)n-2-CH2CH2+.二、有机化合物的结构鉴定（一）几种有机化合物的质谱第41页，共6

20、9页。第42页，共69页。常见离子有CnH+2n-1, CnH+2n , CnH+2n+1特征离子峰为41，55，69，83.裂解方式:（）烯烃第43页，共69页。2）麦式重排（如有氢存在）逆狄尔斯阿尔德开裂第44页，共69页。(1)通常分子离子峰明显,分子量增加峰减小。第45页，共69页。（3）芳烃通常芳烃的分子离子峰很强裂解方式：1、开裂（并经重排生成卓翁离子）CH2 YY +.CH2+卓翁离子( m/z91)Y可以是烷基或杂原子出现稳定的卓翁离子（通常是基峰）是苯环上有烷基取代的标志如碳上有支链，则发生开裂时，将优先脱去大的取代基常见特征离子39、51、65、77、78、91、92第46

21、页，共69页。第47页，共69页。5、脱去乙炔分子的开裂由开裂生成的卓翁离子或开裂生成的苯离子等还能继续裂解，脱去乙炔分子：+卓翁离子( m/z91)CH CH +CH CH +m/z65 m/z39 CH CH +m/z77 m/z51 第48页，共69页。例：正丙苯的质谱中，各碎片离子的裂解过程如下：第49页，共69页。2、饱和脂肪醇 、 一级直链醇分子离子峰随分子量增加而降低。、 支链醇分子离子易发生裂解，优先失去大基团，形成氧鎓离子。 、 醇裂解过程失去中性水分子形成M-18峰，往往还伴有H重排。 、 醇类质谱中可以观察到M-1(比M强)、M-2甚至M-3峰，它们是碎裂后进一步失去H2

22、或H的过程。5、环醇类可发生下裂复杂开裂过程及失水裂解+.OHOH+.OHHHOH.第50页，共69页。醇类化合物主要开裂有如下几种1、开裂2、脱水反应 醇的开裂生成含OH的碎片离子（31，45，59等），对于伯醇生成较强的31离子峰而仲醇和叔醇分别生成（45，59，73等）和（59，73，87等）离子峰。3、醇的C-C键的简单开裂 形成系列烷基离子（29，43，57等）及含有OH的碎片离子 （31、45、59，73，87等）离子峰。第51页，共69页。4、醇的四元环过度态重排 当醇C上有烷基取代时，开裂生成的离子可以通过四员环过渡态重排给出醇的小质量系列碎片离子第52页，共69页。第53页，

23、共69页。第54页，共69页。醛的分子离子峰可见，芳香醛的分子离子峰较大。主要裂解方式： 与酮类化合物有类似的裂解，其特征离子峰是通过开裂脱去H游离基后生成的（M-1）峰。开裂1）醛类化合物麦式重排（当H存在时） 3、醛和酮类化合物第55页，共69页。2)酮类化合物 脂肪酮的分子离子峰清晰可见，环酮和芳香酮的分子离子峰较大。主要裂解方式：1、开裂，伴随脱去COCRROOCRRRCO+。2、麦式重排（当H存在时） H CH2 O O H CH2 C CH2 CH2 C CH2 R H2 C R+.+.+ m/z86 m/z58第56页，共69页。3、复杂开裂 环酮能发生复杂开裂+.+OOOO+H

24、H4、脱CO 芳香酮能脱COO。+ CO第57页，共69页。4、羧酸和酯类化合物直链一元酸的分子离子峰较小，芳香酸的分子离子较大。裂解方式：麦式重排： 对直链一元酸（C4）来说，基峰（m/z60）即为由上述麦式重排开裂所得的碎片离子。1）羧酸类化合物第58页，共69页。脱羟基及CO（-COOH）CROOCRRCO+。OHCOOH CO CO CH CH +。CnH2n+1-COOHCnH2n+1. + COOH+CnH2n+1+ + COOH . 29,43,57,71, 15+14nCnH2n. + CH2COOH+45,59,73, 45+14n第59页，共69页。2）酯类化合物 RCOR

25、O + . R或 C O OR a b+ 或ORC O R + + + 开裂裂解方式出现CnH2n+1+ 15,29,43,57,71, 15+14n离子峰。出现CnH2nCOOMe 73,87,101,115, 相差14个质量的离子峰。麦式重排R1 O+.+.+R1 OR2O HCCHR2CHR3CHR4 OCH CH CHR4CHR3第60页，共69页。5、胺类化合物 脂肪胺的分子离子峰较小，芳香胺的分子离子峰较大。一元胺的分子离子峰，其质荷比为奇数。主要裂解方式：CHRNH2R（优先失去大基团）+。CHRNH2R+、开裂生成的亚胺离子还可能继续重排开裂（或存在时）R+.+NH3CH2CH2 CHHCH CHCHCHCHHN麦式重排2、麦式重排HNHm/z30+CHNH2+CH2CH2CH2CH2CH2第61页，共69页。H+HCN2）脱HCN芳胺能脱HCN分子，且有较强的（M1）峰：N