有机波谱分析课件-有机化合物的质谱反应及机理

第二章有机质谱质谱概述质谱仪及其原理有机化合物的质谱反应及机理各类化合物的质谱特征有机化合物质谱解析ESI-MS质谱技术第一节分子离子峰识别及分子式求算一、质谱图以质荷比m/z为横座标，以对基峰(最强离子峰，规定相对强度为100%)相对强度（或称丰度，abundance）为纵座标所构成的谱图，称之为质谱图。分子离子峰提供分子量，碎片峰提供结构信息质谱图：复习质谱峰类型分子在离子源中可产生各种电离，即同一分子可产生多种离子峰：分子离子峰、同位素离子峰、碎片离子峰、重排离子峰、亚稳离子峰等。设有机化合物由A，B，C和D组成，当蒸汽分子进入离子源，受到电子轰击可能发生下列过程而形成各种类型的离子：分子离子碎片离子重排裂解碰撞裂解二、分子离子峰的识别化合物失去一个或多个电子形成的离子叫分子离子（峰）分子离子峰的辨别困难：

1、样品不汽化或分解，电离后无完整分子结构。

2、样品不纯，夹带杂质在高质量端出峰。

3、很多元素都有同位素，分子离子峰存在于同位素峰簇中（P13表2.1）许多元素存在同位素。最轻同位素天然丰度最大最大丰度同位素分子离子峰M+同位素离子峰M+1或M+2峰必须是化合物谱图中质量最高的离子（同位素峰及准分子离子峰除外）必须是奇电子离子、质荷比符合氮规则必须能通过丢失合理的中性离子，产生谱图中高质量区的重要离子（3-14、21－24为不合理碎片丢失区，P15表）分子离子的判别原则

在有机化合物中，不含氮或含偶数氮的化合物，分子量一定为偶数（分子离子的质荷比为偶数），含奇数氮的化合物分子量一定为奇数。反过来，质荷比为偶数的分子离子峰，不含氮或含偶数个氮。氮律：奇电子离子（odd-electronion）OE＋：具有未配对电子的离子称为奇电子离子，分子离子是奇电子离子。合理碎片丢失

例如m/z差13分子离子峰的相对强度：有机物分子离子丰度大小:芳香环>共轭烯>孤立烯>环状化合物>酮>醚>酯>胺>酸>醇>直链烃>支链烃

当EI谱中未出现M＋峰时，可通过改变实验方法测试：.降低EI离子源的轰击电压70ev——15ev改用软电离技术，如CI、ESI、FAB等降低样品的汽化温度，以减少分子离子近一步裂解的可能性。衍生化法。比如羧酸衍生成酯后，再做质谱。三、分子式的推导合理的分子式，除该式的式量等于分子量外，还要看其是否符合氮律、不饱和度是否合理等。不饱和度（UN）：分子中含有的环数及π键数之和。UN=(n+1)+a/2–b/2n:4价原子：C、Si等a:3价原子：N、P等b:1价原子：H、F、Cl、Br、I等2价S、O的存在，对UN计算无贡献。

若S、N、P为高价态，计算值会低于分子的UN。例：计算以下分子的不饱和度。C3H7N（1）（2）C8H8O推测化合物的分子式可采用低分辨或高分辨质谱法1、低分辨质谱法

同位素相对丰度的计算法

Beynon表法同位素相对丰度的计算法有机物的大部分常见元素都由非单一的同位素组成，因此，分子离子或碎片离子峰都常以同位素峰簇的形式存在。例：质谱图不会只出现最丰同位素峰

同位素峰一般质量数大于分子离子同位素峰的强度取决于同位素的种类和丰度根据同位素峰簇强度比可以估计该元素的个数同位素峰由于天然同位素的存在，因此在质谱图上出现M+1，M+2等峰，由这些同位素所形成的峰称之为同位素峰。对一种元素，用a,b分别代表其天然丰度，n为分子或碎片中所含该元素原子的个数，则它们同位素丰度的相对比值等于（a+b）n=an+nan-1b+n(n-1)/2!an-2b2+……+bn例：含三个碳原子的有机物同位素峰强度符合规则对两种不同元素组成的分子或离子，其同位素丰度相对比值的计算公式：（a1+b1）n1(a2+b2)n2若分子式为CXHYNZOW，简化上式后，其同位素离子峰(M+1)+和(M+2)+与分子离子峰的强度比分别为：RA(M+1)/RA(M)×100=1.1x+0.37zRA(M+2)/RA(M)×100=(1.1x)2/200+0.2wM+1峰主要由13C、15N贡献M+2峰主要由13C×2、18O贡献以上均忽略2H、17O的丰度贡献

若化合物中含硫原子，则上式分别改写为：RA(M+1)/RA(M)×100=1.1x+0.37z＋0.8sRA(M+2)/RA(M)×100=(1.1x)2/200+0.2w＋4.4s例1：计算化合物C8H12N3O的M+1，M+2峰相对于M+峰的强度。因为：RA(M+1)%=1.18+0.01612+0.383+0.041=10.31%RA(M+2)%=1.2182/200+0.201=0.597%因此，RA(M+):RA(M+1):RA(M+2)=100:10.31:0.597只含C,H,O,N的M+2峰很弱，可忽略。但含Br,Cl,S的M+2却很强

自然丰度大M/(M+2)Cl:~3:1Br:~1:1

对于含有Cl,Br等同位素天然丰度较高的化合物，其同位素离子峰相对强度可由（a+b)n展开式计算，其中a、b分别为该元素轻重同位素的相对丰度，n

为分子中该元素的原子个数。CH3Cl：因为，a=3,b=1,n=1,因此(3+1)1=3+1

即m/z50(M):m/z52(M+2)=3:1CH2Cl2：因为，a=3,b=1,n=2,因此(3+1)2=9+6+1,

即m/z84(M):m/z86(M+2):m/z88(M+4)=9:6:1CHCl3：因为a=3,b=1,n=3,因此，(3+1)3=27+27+9+1

即m/z118(M):m/z120(M+2):m/z122(M+4):m/z124(M+6)=27:27:9:1对于含有两种或以上的杂原子，则以（a1+b1)n1•(a2+b2)n2•……表示。ClCH2Br:(3+1)1(1+1)1=3+4+1(35Cl,37Cl;79Br,81Br)

即：m/z128(M):m/z130(M+2):m/z132(M+4)=3:4:1505231几率848688961118120122124272791CH3ClCHCl3CH2Cl2(a)2-氯丙烷M+78M+280(M+2)/M1:3(b)2-溴丁烷M+136M+2138(M+2)/M1:1首先识别分子离子峰及其同位素峰簇再利用公式推算CNO数目，最后用氢补齐分子量最后看分子式是否合理（分子量、氮律、不饱和度等）同位素相对丰度的计算法求算分子式解题步骤例1：化合物的质谱图及数据见下，推导其分子式。P19C4H11N例3：化合物的质谱见下图及下表，推导其分子式。P21例2：化合物的部分质谱数据及质谱图，推导其分子式。P62C2H2Cl2练习：由化合物A、B质谱图中高质荷比区的质谱数据，推导其可能的分子式。A：m/z60(5.8)61(8.7)62(100)M+

63(4.8)64(31)65(0.71)B：m/z60(9.0)61(19.0)62(100)M+

63(3.8)64(4.4)65(0.09)..A:C2H3ClB:C2H6S2、高分辨质谱法(HRMS)利用高分辨质谱可测得精确分子量。精确分子量是由组成分子的各元素天然丰度最大的同位素（即最轻同位素）的精确质量。例：C2H4

和CO的常规分子量均为28C2H4：12×2＋1.0078×4＝28.0312CO：12×1＋15.9949×1＝27.9949精确分子量：（计算值）若m/z(HRMS)：28.0318（实测值）则说明为C2H4。高分辨质谱能精确测量到小数点后第三位，第四位为估计值。许多元素存在同位素。最轻同位素天然丰度最大最大丰度同位素分子离子峰M+同位素离子峰M+1或M+2峰第二节有机物质谱裂解机理一、基础知识1、电荷－自由基定位理论有机分子中，电离能量高的电子首先被电离。σ

πnπ*

σ*能量同一周期中，原子电离顺序为N>O>F当不知分子中具体电离位置时，可用M＋.表示。2、电子转移的表示单电子转移用单钩“”对电子转移用双钩““3、键的断裂方式1、单电子转移发生的裂解反应称均裂2、对电子转移发生的裂解反应称异裂..二、质谱离子断裂方式1、简单断裂2、重排断裂1、简单断裂（α、i、σ）自由基引发的断裂（α

断裂）————最重要a、含饱和杂原子的化合物b、含不饱和杂原子的化合物c、含π键的化合物－e电荷引发的断裂（i断裂）α与i断裂互相竞争烷烃的断裂（σ

断裂）.2、重排（脱掉中性分子）麦氏（Mclafferty）重排反应

具有以下结构通式的化合物，可进行γ－H重排到不饱和基团上，并伴随发生β键断裂的麦氏重排反应：醛、酮、羧酸、酯都可发生麦氏重排，产生特征质谱峰。.经四员环过渡态的重排逆Diels－Alder反应（RDA）发生裂解而形成碎片离子

含原双键的部分带正电荷的可能性大些芳环的邻位效应邻位取代基经过六元环过渡态氢的重排，失去中性小分子。＋.＋.＋.＋.例：骨架的复杂断裂＋.＋.＋.＋.偶电子规则OE＋.OE＋.＋中性分子EE＋EE＋＋自由基EE＋＋中性分子分子离子峰为奇电子离子峰，根据氮律：（同位素峰除外）不含氮的化合物，M＋的