有机质谱解析

有机质谱解析第一章导论第一节引言质谱，即质量的谱图，物质的分子在高真空下，经物理作用或化学反应等途径形成带电粒子，某些带电粒了可进一步断裂。如用电子轰击有机化合物（M），使其产生离子的过程如下：/\电子轰击/M)—(M++（2?\电子轰击/M)—(M+离子分子离子、0"

游离基离子分子的断裂每一离子的质量与所带电荷的比称为质荷*（m/z，曾用m/e）。不同质荷比的离子经质量分离器一一分离后，由检测器测定每一离子的质荷比及相对强度，由此得出的谱图称为质谱质谱分析中常用术语和缩写式如下：*游离基阳离子，奇电子离子（例如CH4•）（全箭头）电子对转移'（鱼钩）单个电子转移J.a断裂RCa丫；与奇电子原子邻接原子的键断裂（不是它们间的键断裂）“A”元素只有一种同位素的元素（氢也归入小”元素）。“A+1”元素某种元素，它只含有比最高丰度同位素高1amu的同位素。“A+2”元素某种元素，它含有比最高丰度同位素高2amu的同位素。A峰元素组成只含有最高丰度同位素的质谱峰。A+1峰比A峰高一个质量单位的峰。分子离子（M十）失去一个电荷形成的离子，其质荷比相当于该分子的分子量。碎片离子：分子或分子离子裂解产生的离子。包括正离子（A+）及游离基离子（A+.）。同位素离子：元素组成中含有非最高天然丰度同位素的离子。亚稳离子（亚稳离子（m*）质谱图上反应各离子的质荷比及丰度的峰被称为某离子峰。基峰：谱图中丰度最高离子的峰绝对丰度：每一离子的丰度占所有离子丰度总和的百分比，记作％工。相对丰度：每一离子与丰度最高离子的丰度百分比。第二章谱图中的离子第_节分子离子分子离子（M+）是质谱图中最有价值的信息，它不但是测定化合物分子量的依据，而且可以推测化合物的分子式，用高分辨质谱可以直接测定化合物的分子式。一、分子离子的形成分子失去一个电子后形成分子离子。一般来讲，从分子中失去的电子应该是分子中束缚最弱的电子，如双键或叁键的兀电子，杂原子上的非键电子。失去电子的难易顺序为：杂原子〉C=C>C—C>C—H除■易难*电离能C,HO,SNF,CI,Brh215.4。212.115.6Cl211.5ch412.5CH3OH10.8nh310.2CH3CI11.3|C2Hb11.5C2H5OH10.5C2H5NH28.9n-C2H5Cl10.9环己烷9.9THF9.4四氢毗咙8.0c6hsf9.2c6h69.2c6h5oh8.5c6h5nh27.7C6HsC19.11CioHio8.1n-CMSH9.1(C6Hs)3N69CftH5Br9.0分子离子的丰度主要取决于其稳定性和分子电离所需要的能量。易失去电子的化合物，如环状化合物，双键化合物等，其分子离子稳定，分子离子峰较强；而长碳链烷烃，支链烷烃等正与此相反。有机化合物在质谱中的分子离子稳定度有如下次序：芳香环>共轭烯>烯>环状化合物>羰基化合物>醚>酯>胺>酸>醇>高度分支的烃类。

二、分子离子峰的判别。通常，化合物的分子量用其所含元素的最大丰度质量来计算。假如一个纯化合物的EI质谱图中有分子离子的话，它应该出现在谱图的最高质荷比区，但是，质谱图上质荷比最高的离子不一定就是分子离子，仍需进一步检验确定，以便排除各种干扰。为判别分子离子，前人总结了很多经验。在一个纯化合物质谱（不含本底和离子分子反应等产生的附加峰）中，作为一个分子离子必要的但非充分的条件是：1、它必要是谱图中最高质量的离子分子失去一个电子，形成分子离子，自然它的质量数（质荷比）应为最高。但是，某些含氧含氮的化合物，如醚，酯，胺、酰胺、氨基酸酯、氰化物等，往往在比母峰多一个质量单位处出现一个峰，称为m+1峰，这是由于分子离子在电离室碰撞过程中捕获一个H而形成的。同样，有些分子易失去一个氢而生成M-1离子，例如，六氢毗啶的M-1峰比M峰要高得多。在实际工作中，情况往往很复杂，例如测量误差会对低丰度元素的计算带来较大影响，使推导出的元素组成有一种以上的可能性，这样，还需结合碎片离子及其他数据综合分析。M%.m/z85M%.m/z85.：，IM-1I+m/z84'此外，由于某些元素的重同位素的存在，质谱图中也会出现某些离子的质荷比高于分子离子的情况。对同位素离子的说名见下节。2、分子离子必须是奇电子离子样品分子失去一个电子而被电离成离子，因而分子离子是一个游离基离子，由于带有未成对电子，所以被称为奇电子离子。E），用符号'表示。例如甲烷的分子离了形成过程如下：HeHH：C：H二*H：C，H或CH4-上式中符号'只指带未成对电子的离子，并不是指另有一个电子加到所表示的分子上。3、含氮的有机化合物，分子离子的质荷比符含“氮规则”。在有机化合物中常见的多数元素，其最大丰度同位素质量和价健之间有一个巧合，即除氮原子外，两者或均为偶数或均为奇数。由此可以推导出“氮规则”：假若一个化合物含有偶数个氮原子，则分子离子的质量为偶数。反之，可以推论出：含奇数个氮原子的化合物，分子离子的质量为奇数，其他有机化合物，分子离子的质量一般为偶数。4、分子离子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。分子离子分解过程中，通常仅有少数几种低质量中性碎片被失去。例如，饱合烷烃可以失去甲基或一个氢原子，出现质荷比为M-15及M-1的离子，但不可能失去个氢，出现质荷此为M-5的离子。通常，巧合，低质量中性碎片破失去。例如，饱合烷烃可以失去甲基或一个氢原子，出现质荷比为M-15及M—1的离子，但不可能失去5个氢，出现质荷比为M—5的离子。通常，分子离子不可能失去质量为4~14和21~25的中性碎片而产生重要的峰。下图为一烷烃的图谱，每m/z57与m/z43的离子相距14个质量数，而完整的有机化合物分子不可能丢失一个・CH2离子，所以m/z57不是分子离子峰，而是由m/z72的离子失去甲基(M—15)形成的。经过谱图解析，证明这个化合物是季戊烷［ch3—C(CH3)3］，由于它不稳定，在电子轰击下易断裂，所以没出现分子离子峰。M-15(.CH3),M-16(O),M-17(.OH,NH3),M-18(H2O),M-26(CN,HCCH),M-27(CHNH2.CHCH2),M-28(CO,CH2CH2),M-29(CHO,C2H5),M-30(CH2O,NO),M-31(OCH3,CH2OH),M-32(CH3OH,S,O2),M-33(CH3+H2O),M-34(H2S),M-35(CL),M-36(2H2O,HCL),M-41(C3H5),对于不易出现分子离子的化合物，可采用其他辅助分析手段。1、低能电子：通常EI谱的电子轰击能量为70ev，逐步降低轰击电子的能量，可以减少分子的平均内能使其碎断几率相应减少，由此提高分子离子的相对丰度。但需要注意的是，降低轰击电子能量，也就降低了所有离子的绝对丰度，使仪器灵敏度随之下降。能量过低，对辨别分子离子峰同样是不利的。2、化学电离等软电离技术：在化学电离条件下，样品分子与“反应气”离子在离子源中发生离子一分子反应。通常，样品分子得到一个氢或失去一个氢，得到质荷比为［M±1］的偶电子离子(OE)+，这些偶电子离了一般具有较低的内能。因此用EI得不到分子离子的化合物，大多数在CI条件下，可以产生能指明分子量的离子。除CI外，常用的软电离技术还有FI(场电离)FD(场解吸)及FAB(快原子轰去)等。3、测定衍生物的质谱：用化方法把一个化合物转变为适当的衍生物来提高化合物的蒸汽压，从而得到低挥发性化合物的衍生物质谱图，如羧酸，在EI谱上，只能得到［M-COOH］的峰，将羧酸进行甲酯化反应后，得到［M-H+CH3］的峰，进而推测化合物的分子量。第二节同位素离子在自然界，很多元素的组成不是单一的。这样，由它们组成的化学纯的有机化合物，由于组成它们的元素不是同位素纯的，只能得到一张混合物的质谱图。其中含有丰度较小的同位素的离子被称为同位素离子。它的丰度与离子中存在该元素的原子数目及该同位素的天然丰度有关，借助这些知识，可以推测分子离子或碎片离子的元素组成。一、天然元素中同位素的相对丰度下表中列举了组成有机化合物的常见元素在自然界中存在的同位素及其丰度。这些化合物被分为三类：“A”，只有一个天然丰度的同位素；“A+1”，有两个同位素的元素，其中第二个同位素比丰度最大的同位素重一个质量单位；“A+2”，这类元素含有比丰度最大同位素重二个质量单位的同位素。表2-1常见元素的天然同位素丰度①元素AA+1A+2元素类型质量，%质量，%质量，%H110020.015“A”C12100131.1①“A+1”N14100150.37“A+1”O16100170.04180.20“A+2”F19100“A”Si28100295.1303.4“A+2”P31100“A”S32100330.80344.4“A+2”Cl351003732.5“A+2”Br791008198.0“A+2”I127100“A”WapstraandGove(1971)。1.1±0.02，取决于来源。二、重同位素峰丰度的近似计算法。“A+2”•元素，这类元素包括氧、硅、硫、氯和漠。除氧以外，其他元素的重同位素丰度都较高，如果有机物含有硅、硫、氯和漠，则分子离子区出现的同位素峰的强度可由二项式的展开式来计算。(a+b)n=an+nan-1b+n(n—1)a«-2b2/2!+n(n—1)(n—2)an-3b3/3!+式中a：轻同位素相对丰度b：重同位素相对丰度n：分子中该元素的原子数目例如：含一个氯原子的化合物CH3CL，由CH335CL(M=50)及CH337CL(M+2=52)组成，其中35CL与37CL的丰度比为3：1，则上式为(3+1)1=3+1CH335CL与CH337CL的丰度比，即m/m+2=3:11005050-5h4ci5210203040而含三个氯的CHCL，蛔位素峰丰度计算如下：50603(3—1)・3二12(a+b)3=(3+1)3=33+3-32-1+——)+132=33+3.32•1+3(3—1).3-1+3(3—1)(3—2)-1323=27+27+9+1同样，可知含一个漠原子的有机化合物，其m/m+2的丰度比为1：1,含二个漠原子时，m:m+2:m+4=1:2:1。(M)Methane,(M)Methane,bromo-(M)Methane,dibromo-当化合物含有两种或两种以上“A+2”元素时，先根据上式计算每一种元素的丰度比，而后时它们进行排列组合，例如对于含一个氯原子及两个漠原子的化合物，用3：1含一个（氯原子的丰度比），与1：2：1（含两个溪原子的丰度比）组合，可知它的m:m+2:m+4:m+6=3:7:5:1。208||X|||(M)Methane,dibromochloro-208||X|||氧原子的A+2同位素相对丰度很低（0.2%），当离子中存在多数个碳原子时，会对峰产生影响，对于含有W个碳原子及五个氧原子的化合物，其m+2峰的相对丰度e-(1-1W)2:的理论便可用下形式计算，m+2%=+0.20Z%2UU在实际测量中，由于18O含量低，测量误差往往较大。以上介绍了已知“A+2”元素原子的个数时，如何计算同位素样的样相对强度。反之，通过质谱测定，已知同位素丰度时，也可推测元素的种类及含量，但由于对氧元素的测量误差不易控制。往往在确定了“A+1”元素和其他“A+2”元素之后再计算氧原子数据，也可以否定某些元素的存在。如m+2/m<3%时，即可否定此峰不会Si、S、CL、Br元素。2.“A+1”元素“A+1”元素包括碳、氢和氮。但2H/1H的比例非常小，常常把氢做为A元素，对化合物CwHxNyOE的同位元素峰计算，可用下式。m+1%=1.08W+0.016X+0.387+0.04E&因为17O及2H相对含量极低，上式可简化为(m+1)%=[1.1W+0.38Y]%含有两个以上碳原子的化合物，其m+2峰相对丰度的计算方法为：(m+2)%=1.1W+0.387&3“A”元素“A”元素包括氢、氟、磷及碘，根据实验数据确定或或估计了每种“A+2”和“A+1”元素的数目后，这个离子峰余下的质量一定由“A”元素提供。根据价键规律，利用上述数据，可完成对分子的组成(或几个可能组成)的确定。三、利用同位素峰推测元素组成及分子式表中为某一化合物的高质量区测试结果。m/E相对丰度归一化S1O1C8C913CS1390.52140251001001001001001412.5±0.2510±1.00.80.08.89.98.81421.2+0.24.8±0.84.40.20.30.30.11430.1±0.20.4±0.80.4第一栏为分子离子峰及同位素峰的质荷此，第二栏为相对丰度，其归一化的结果列于第三栏，根据m+1/m及m+2/m的值可以推测此化合物可能含一个硫原子或者含一至三个氧原子。先假设化合物含一个氧原子。尔后考虑A+1”元素。如果含一个硫原子，33S的相对丰度为0.8(%)，从m/m+1的总量中除去0.8，17O的丰度比仅占0.04(%)，可以忽略不计。从m/m+1的总量中除去0.8，可知碳同位素对m+1的贡献为8.2〜10.2，那么它可能含8个或9个碳原子，分别计算它们的m+1峰及m+2峰与m峰的比值。填到表中第六七栏。因为分子量为140amu而S1和C9总共为140amu，而有机化合物的组成不可能为C9S。所以推测此化合物含八个炭。C8S]的质量数为128，140-128=12，这样也就排除了含氧的可能，其余下这12amu，应用“A”元素补是，A元素中F、P、碘的原子量大于12,所以分子了式只能为C8H12S。除上述方法上，还可以能过，Beynod表决定化合化合物的级成及分子式、Beynon表中记载了元素组成不同，分子量不同的各种离子的m、m+1及m+2的比值，F表为Beywon表节录的一部分。分子林M+1M+2c7h10n49.250.387104c8h8no29.230.78csh10n2o9.610.61S102c8h12n39.980.45c9h10o29.960.849102c9h12no10.340.68CHN10.710.52——91^^某化合物，其m、m+1，与m+2的丰度比见表。根据巳为0.88，可知此化合m物下含s、a及Br。在Beynon表中，分子量为150的组合共29个，其中m+1/m的百分比在9—11之间的组合7个。根据“氮规则”，可以排除CHNO，CHN及CH088231239102的同位素峰丰度比与实测值接近，可以推测该化合物的分子式应为c9h10o2。在实际工作中，情况往往很复杂，例如测量误差会对低丰度元素的计算带来较大影响，使推导出的元素组成有一种以上的可能性，这样，还需结合碎片离子及其他数据综合分析。第三节碎片离子碎片离子的质荷比及其丰度在质谱数据中占很大比例。碎片离子的相对丰度与分子结构有密切关系，高丰度的碎片峰代表分子中易于裂解的部分，如果有几个主要碎片峰，并且代表着分子的不同部分，则由这些碎片峰就可以粗略地把分子骨架拼凑起来。质谱解析的大量工作就是分析碎片离子的形成过程。一、碎片离子的形式质谱反应属于单分子反应，离子源中的样品蒸汽压通常低到足以忽略双分子（离子一分子）或其他碰撞反应的程度，所形成的分子离子具有范围较宽的内能。那些是足够“冷”的离子不会在被收集前分解，在质谱图上以分子离子M'）的形式出现；而处于高激发态的分子离子，将进一步分解，产生一个离子和中性碎片。如果这个初级产物的离子有足够的能量，还可以进一步分解。eABCD，—iABCDA+BCD-▲+A+BCDBC+D反应中也可以发生异构化ABCD京AD+BC碎片离子的丰度主要取决于该离子的稳定性。主要的离子稳定形式是杂原子中未成键轨道的电子共享和共振稳定。此外，丰度与离子的电离能有关。电离能低的碎片离子形成几率高。二、离子分解反应的类型及反应机理反应的分类方法有很多种，此处采用F、W、Mclafferty的分类方法。1.a键的断裂

化合物中某个单键失去电子，则在此处易进一步发生断裂反应，例如烷烃。eRC%Rcr3R,+cr3能够稳定正电荷的离子丰度较高，如【CH3）3C—CH2CH3]CH3）3C»H2CH3：CH3）3C*+•ch2ch3甲基为供电基，叔丁基与三个甲基相连，对稳定正电荷最有利，所上上述反应中（CH3）3C+离子的丰度为100%，即基峰。(M)Butane,2,2-dimethyl-游离基中心引发的断裂反应（a断裂）分子失去电子，形成游离基离子，它的电子有强烈的成对倾向，电子转移与邻近原子形成一个新键，同时邻近原子的a键断裂。因此，这种断裂通常称为“a”断裂反应，以下分别举例说明各种化合物。断裂过程。游离基离子为饱合中心原子R—CR^-YR—R,+CR2=§R杂原子（Y）的孤对电子电离能较低，很容易去失，形成游离基离子，进而发生。断裂，如RCH二甘一R，二R+CH2=8—R'Z-!Z-!100-*、0H100-*、0H50-o]15一，，i一1,60游离基离子为不饱含杂原子rWCR^YR+CR=Y例如羰基化合物的a裂解+*xO)III+OII烯烃类的烯丙位裂解R匕崩C—CH2a—R・+CH-CH—CH2+II如2—ch=ch2C—R'+*xO)III烯烃类的烯丙位裂解R匕崩C—CH2a—R・+CH-CH—CH2+II如2—ch=ch2上述反应的进行与游离基中心给电子倾向有密切的关系。氮原子给电子能力很强，a断裂在脂肪族胺中占主导地位，其次是氧族元素，由给电子能力的差别造成祯断裂反应的难易程度按下列顺序排列：N>S、O、n,R•>Cl、Br>H。当一个化合物有几个a键时，最容易去失的是最大的烷基游离基，例如3-甲基-3已醇有3个a键，a断裂后应在m/z73、87及101处出现特征峰；其中M-C3H7的峰丰度最高，而后是m-C2H5，m-CH3丰度最低100C3H7C：CH3=OH

m/z87,50%|c2h5o：ch3100C3H7C：CH3=OH

m/z87,50%|c2h5o：ch3「=OhI>

m/z73,100%c3h7c(c2h5；=Ohm/z101,10%——R'R+*YRJIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII2030405060708090100110"(M)3-Hexanol,3-methyl-CHI-'•+aC3%¥OHC2H53、电荷中心引发的反应（诱导断裂，1）奇电子离子（OE•）a.饱合中心1R+R'——1R+R'——C=O例如:—..i+__一2H5—O—C2H5。2禺+*OC2H5m/z29,40%b,不饱合中心R'100-657183R'R'100-657183如：JIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII102030(M)3-Pentanone100110120130CH厂CH2ChM：CH3i—C4HJm/z57+・Brc2h、、f+•iC=O—-C2H100110120130CH厂CH2ChM：CH3i—C4HJm/z57+・Br上述反应由正电荷对一对电子的吸引所推动，反应发生的难易与该元素的诱导效应有关，一般为卤素>0、S>>N、C；许多碘代烷烃，漠代仲和叔烷烃及氯代叔烷烃，较易产生这个反应。102030405060708090(M)Butane,2-bromo-在影响a或i反应的能力方面，氧属于中等水平，例如：ch3—ch2【^Ch》ch3ch3ch2-O=ch2+-ch3im/z59ch3—ch+Tch3ch2+・o—ch2—ch3m/z29a反应与i反应机理不同，形成的离子也不同，两者互为互补离子。由于i断裂需要电荷转够，与a断裂相比较难进行。上述反应中m/z59的丰度大于m/z29的丰度偶电子离子（EE+）偶电子离子反应往往产生一个新的偶电子离子及一个中性分子。a.饱合中心i+R—YH2——-R+YH2化学电离（CI）产生的初始离子，主要是EE+离子，^口（M+H）+和（M-H）+，而后产生i反应。例如麻黄素在化学电离中先形成（m+1）+离子，再脱H2O：

b：不饱合中心HCICH-CHCH3+H2OCH2cCH3CH厂O=CH2m/zb：不饱合中心HCICH-CHCH3+H2OCH2cCH3CH厂O=CH2m/z59NHCH3CH—CHCH3m/z166[m+1+NHCH3m/z148i一R+丫=CH2-ch3cH2++o=ch2m/z29经过a断裂产生偶电子离子（EE+）,再发生i分子离子为奇电子离子（OE•），CO4、游离基中心引发的重排由游离基中心引发在质谱反应中，分子中原子的排列发生变化的反应被称为重排，的氢原子重排是常见的重排反应之一。由游离基中心引发（1）Y-H重排到不饱合基团上并伴随发生8断裂：（麦氏重排）。+HYHY++HYHY+未成对电子通过空间与邻近的一个原子（Y位上氢原子）形成新键，这个新键的第二个电子是由该邻近原子的另一个键转来的，其结果导致这个键断裂及氢原子通过六元过渡态转移。在这个过程中最初的断裂没有使离子中任一部分丢失，而只是引起游离基

中心位置的改变。新的游离基立即引发一个a断裂反应，导致原来游离基的|3位碳碳键断裂；与此同时失去一个烯烃或其他稳定分子，形成奇电子离子，例如：m/z58,40%同样，新形成的游离基中心也可以诱发诱导断裂（i断裂），但由于i断裂需要电荷转移，进行比较困难。离子丰度大为降低。m/z42,5%然而，如果用苯基取代上述分子的甲基，诱导反应的趋势大大增强，这是由于苯基取代使电离能下降所造成。

②氢重排到饱合杂原子上并伴随邻键断裂。Hyr②氢重排到饱合杂原子上并伴随邻键断裂。Hyr饱合杂原子的游离基未成时电子与邻近的处于适当构型的氢原子形成一个新键，与此同时一个与氢原子相邻的键断裂。(M)Acetamide,N-butyl-#nhc4h9H—NHC4H9H2C—C=O二％死C=O圣2-h2nc4(M)Acetamide,N-butyl-#nhc4h9H—NHC4H9H2C—C=O二％死C=O圣2-h2nc4h9+h2c=c=om/z73通过a反应产生m/z73离子。由于产生的含杂原子的离子是饱合的，对电荷的争夺力很弱，使得电荷转移的i反应发生更为普遍，尢其是对电负性强的集团：JIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII10203040(M)Pentane,1-chloro--Orl100「90807060ro5C2H5rHC2H5」C2H5+HCl上述反中形成了[M-HCl]离子，其它电离能较高的饱合小分子，如H2O、C2H4、CH3OH、H2S和HBr等，常以这种方式丢失。置换反应（rd）这是一种非氢重排的反应，分子内部两个原子或基团（常常是带游离基中心的）互相作用，形成一个新键，与此同时其中一个集团（或两者）的另一键断裂，例如：m/z915、电荷中心引发的重排/+A—BJz为氢时常常看到这个类型的裂解，如二乙胺:102030405060708090100(M)Ethananiine,N-ethyl-+^H^CH2ch3ch2