第五章 有机质谱分析

第五章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。2023/2/42023/2/4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1~100u一般仅需几秒，1u=1.66×10-27kg）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2023/2/4（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

2023/2/4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,并通过适当电场、磁场将它们按质荷比分离、检测分析的仪器。1、高真空系统：由机械泵和分子泵组成2023/2/4离子源：10-4~10-5Pa质量分析器：10-5~10-6Pa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。2023/2/4（1）间隙进样系统适用于气体、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。2023/2/42023/2/43、离子源（质谱仪的主要部件）作用：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。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。能量高的离子源分子离子少，碎片离子多；能量低的则相反。(1)电子轰击源(electronimpactionizatiojEI)由离子化区和离子加速区组成。在外电场作用下，汽化后的供试品分子进入离子化室后，受到灯丝2023/2/4发射并加速的热电子束的轰击，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。热电子束2023/2/4EI源特点：电离效率高，结构简单和操作方便，能提供有机化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）。2023/2/4（2）化学电离源（chemicalionizationCI）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]-。2023/2/4气体分子试样分子准分子离子电子2023/2/4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加合离子2023/2/4加合离子与样品分子反应准分子离子:(M±1)+(M+1)+(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2023/2/4M=390COOC8H17COOC8H17准分子离子峰2023/2/4CI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（fastatombombardmentFAB）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2023/2/4产生离子。FAB特点:离子化能力强,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[M+1]+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。但基质分子在低质量数区会产生较多的干扰峰。（4）激光解析电离（laserdesorption

ionization

）2023/2/4

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。2023/2/42023/2/4

+vF×-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：离心力=磁场力；m

v

2/r=H×Z×e×v

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。2023/2/4①r与m/z的平方根成正比，②保持H不变，连续改变V，电压扫描③保持V不变，连续改变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。2023/2/4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2023/2/4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，到达检测器而被检测，通过扫描RF场可以获得质谱图。

2023/2/42023/2/45、检测器: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后,形成不同强度离子流(10-9~10-10A)，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被分析样品质谱图。2023/2/45.1.2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。2023/2/42.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。

MM

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，π电子和杂原子上的孤对电子比σ电子容易失去。-e＋

.2023/2/4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的分子离子峰强，烃、脂肪醇、醚、胺分子离子峰弱。①奇数个电子、符合氮规则(nitrogenrule)②谱图高质荷比端、确定相对分子质量③相对强度推测化合物类型＋

.M2023/2/4（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。①“”含奇数e；②“+”含偶数e；③“·”自由基碎片离子碎片离子＋

.2023/2/4同位素离子(3)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m/z总是较对应分子离子或碎片离子大例如：CH413C+1H×4=17M+112C+2H+1H×3=17M+113C+2H+1H×3=18M+212C+1H×4=16M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。2023/2/4元素相对丰度％元素相对丰度％1H2H100.000.01514N15N100.000.3712C13C100.001.1216O18O100.000.2035Cl37Cl10032.579Br81Br10097.932S34S1004.4428Si30Si1003.4稳定同位素相对丰度2023/2/4例如：含Cl和Br原子

①含1个Cl原子

M:M+2=100:32.53:1MM+21个Cl1:1MM+21个Br

②含1个Br原子M:M+2=100:97.91:1

③含3个Cl原子

如CHCl3会出现：

M、M+2、M+4、M+6峰2023/2/4M/Z118120122124MM+2M+4M+6丰度比272791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

MM+2M+4M+6

轻质丰度比重质丰度比m/z1181201221242023/2/4（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。离子中源产生m1m2m*m/z亚稳离子子离子质量母离子质量飞行途中产生2023/2/4

亚稳离子特点:峰弱；峰钝（棒粗）；质荷比不是整数m1m2m*m/z2023/2/4（5）重排离子：分子离子在碎裂同时，可能丢失掉中性分子或碎片，发生某些原子或原子团的重排，生成比较稳定的重排离子。其结构与原来分子的结构单元不同，它们在质谱图上的峰称为重排离子峰。如链状卤化合物的成环重排：

RR·+X＋

.X+2023/2/45.1.3有机化合物裂解类型1、单纯开裂①均裂（“鱼钩”表示单电子转移）例如：若R1>R2②异裂（“箭头”表示双电子转移）2023/2/4③半异裂：已离子化的σ键的开裂失电子顺序：

n电子>π电子>电子(C-C>C-H)

例如·CH3

CH3－C－C2H5

CH3

+·半异裂CH3

CH3－C+C2H5

CH3

+·2023/2/4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·2023/2/4

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或碎片，质荷比减小明显。（1）麦克拉佛特（McLafferty）重排：当不饱和中心C=X(X=O,N,S,C)及其γ-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2023/2/42-戊酮分子离子222023/2/4（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。主要在裂解中含原双键部分带正电荷可能性大些

次要2023/2/4柠檬烯C3m/z=68m/z=1362023/2/4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：m/z=100

m/z=85

m/z=58+

m/z=57

m/z=43oo-eo+·o+·-CH3·O+OH＋

.麦克拉佛特重排OH+·m/z=58-CO+m/z=57o+·H3CC≡O++·2023/2/4§5.2分子离子与分子式确定5.2.1分子离子峰的确认：MS图最右端①区分M+1，M+2等峰；②不稳定离子无分子离子峰1、分子离子稳定性：

芳香族化合物>共轭链烯>脂环化合物>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e不是分子离子2023/2/4

3、分子离子服从“氮律”

①只含C,H,O时,分子离子的质量数为偶数②含C,H,O,N时,奇数个氮,则分子离子的质量数为奇数，反之为偶数例某未知物只含C,H,O,MS最右端峰为m/z=59,不符合氮律，因而该峰不是分子离子（m/z=74）

m/z=592023/2/44、分子离子存在合理的中性碎片（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2023/2/4（1）计算法：只含C、H、O的未知物用例如：根据下列提供的信息，求分子式的组成

m/z相对峰强

150(M)100151(M+1)9.9152(M+2)0.92023/2/4解：①(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)②M为偶数，说明不含氮或偶数个氮③先以不含N计算，若结果不合理再修正2023/2/4

（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Beynon表，得出分子式或碎片离子元素组成。2023/2/4Beynon(贝诺)表150M+1M+2①C7H10N4②C8H8NO2③C8H10N2O④C8H12N3⑤C9H10O2⑥C9H12NO⑦C9H14N29.259.239.619.989.9610.3410.710.380.780.610.450.840.680.522023/2/42、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2023/2/4设z=0,W=0,则y=尾数/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。2023/2/4§5.3常见有机化合物的质谱特征5.3.1烃类化合物的质谱特征1.饱和烷烃①分子离子峰较弱②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

）③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2023/2/42.链烯①分子离子稳定、丰度大②易生成质量数相差14的一系列CnH2n-1碎片：

41+14n,n=0,1,2,…③m/z=41峰很强，是链烯的特征峰失π电子+CH2–CH=CH2+R·

CH2=CH–CH2+m/z=412023/2/4

3、芳烃①分子离子稳定，峰的强度大②烷基取代易发生β裂解，产生m/z=91特征离子④具有重排离子2023/2/4扩环③进一步裂解β2023/2/4

④取代苯能发生α裂解，产生苯离子，进一步裂解环丙烯及环丁二烯离子2023/2/4⑤γ氢的烷基取代苯，能发生麦氏重排产生m/z=92(C7H8+)鎓离子

C7H7+(m/z91)C6H5+(m/z77)C4H3+(m/z51)C3H3+(m/z39)C5H5+(m/z65)2023/2/45.3.2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、易发生α裂解3、脱水，发生重排生成M-18离子2023/2/44、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2023/2/45.3.3羰基类化合物的质谱特征易发生α裂解，含γ氢，发生麦式重排。1、醛①分子离子峰明显；②α裂解产生R+(Ar+)及M-1峰2023/2/4③具有γ-H的醛发生麦式重排，产生m/z(44+14n)重排离子。例如戊醛产生2023/2/4④可发生β裂解

2、酮①M·+明显②易发生α裂解2023/2/4③含γ氢的酮，发生麦式重排2023/2/4（四）酸与酯①M较弱，芳酸与酯的M强②易发生α裂解

O+C–OR1,OR1+,R–CO+及R+在MS上都存在③含γH式的酸、酯易发生麦式重排+·+·2023/2/4

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2023/2/4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，可从以下三个方面去分析。（1）重要的低质量端离子系列2023/2/4在低质量区，一个特定m/z的离子只有少数几个元素组成和结构的可能性。例如，m/z=29，只有C2H5和CHO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）高质量离子随离子质荷比增大，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2023/2/4小的中性分子丢失，即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