波谱分析第六章.ppt

1、第六章 质谱法 (Mass Spectrometry, MS),6.1 仪器及原理 6.2 质谱裂解表示法 6.3 裂解方式及机理 6.4 质谱中离子的类型 6.5 各类化合物的质谱图 6.6 质谱的解析,概述,一、方法概述,以某种方式使有机化合物的分子电离、碎裂，然后按照离子的质荷比（m/z）大小把生成的各种离子分离，检测它们的强度，并将其排列成谱，这种研究物质的方法称作质谱法。,质谱分析过程,撞击 得到 高速电子流 气态分子 阳离子 顺序谱图 质量分析器 定性结构 定量分析,导入,按质荷比m/e,峰强度,峰位置,Example:CH3-CH2-CH3 + e- CH3-CH2-CH3+ +

2、 2e-,CH3-CH2-CH3 + e- CH3-CH2-CH3+ + 3e-,1、1913年：Thomson使用MS发现了Ne是由22Ne和24Ne两种同位素组成,随后同位素分析开始发展。 2、20世纪30年代末至40年代：由于石油工业的发展，需要测定油的成份。通常用蒸馏的方法先分离这些烃类混合物，然后再利用分别测定其折光率的方法来分析它们。这通常要花数天时间。将MS用于石油工业中烃的分析，可以大大缩短分析时间。,二、发展历史,3、50年代初：质谱仪器开始商品化，并广泛用于各类有机物的结构分析；同时质谱方法与NMR、IR等方法结合成为分子结构分析的最有效的手段。 4、60年代：出现了气相色

3、谱-质谱联用仪，使质谱仪的应用 领域大大扩展，开始成为有机物分析的重要仪器；计算机的应用又使质谱分析法发生了飞跃变化。,5、90年代：由于生物分析的需要，一些新的离子化方法得到快速发展:快原子轰击离子源，基质辅助激光解吸电离源，电喷雾电离源等。,6、目前：出现了比较成熟的液相色谱-质谱联用仪，感应耦合等离子体质谱仪，傅立叶变换质谱仪等。质谱分析法已广泛地应用于化学、化工、材料、环境、地质、能源、药物、刑侦、生命科学、运动医学等各个领域。,三、质谱分析法特点,1、信息量大，应用范围广，无机物、有机物；液体、气体、固体 2、 分析速度快，灵敏度高； 3、 能同时提供有机样品的精确相对分子量、元素组

4、成，碳骨架及官能团结构信息；自动对照、检索 4、 仪器结构复杂，价格昂贵，使用及维修比较困难； 5、 样品被破坏，无法回收。,质谱图：棒图 纵坐标：离子的相对强度 横坐标：质荷比 m/z,100 50,80 100 120 m/z,128(M+),27,29,41,43,55,57,71,99,113,质谱不属波谱范围 质谱图与电磁波的波长和分子内某种物理量的改变无关 质谱是分子离子及碎片离子的质量与其相对强度的谱, 谱图与分子结构有关,注意点,6.1 仪器及原理,6.1.1 质谱仪,质谱仪是通过对样品电离后产生的具有不同的 m/z 的离子来进行分离分析的。,质谱仪包括进样系统、电离系统、质量

5、分析系统 和检测系统。,为了获得离子的良好分离和分析效果，避免离子损失，凡有样品分子及离子存在和通过的地方，必须处于真空状态。,多接收器电感耦合等离子体质谱Nu plasma,二、质谱仪各部分的工作原理,1、真空系统 质谱仪的离子产生及经过系统必须处于高真空状态（ 离子源真空度应达1.310-41.310-5Pa，质量分析器 中应达1.310-6Pa）。其作用是减少离子碰撞损失。 真空度过低，将会引起： a）大量氧会烧坏离子源灯丝； b）引起其它分子离子反应，使质谱图复杂化； c）用作加速离子的几千伏高压会引起放电。,2、进样系统 进样系统的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

6、空度的降低。 常用的进样装置有三种类型：间歇式进样、直接探针进样、色谱进样系统（GC-MS、HPLC-MS）和高频感藕等离子体进样系统（ICP-MS）等。,a) 间歇式进样：适于气体、沸点低且易挥发的液体、中等蒸汽压固体。如图所示。注入样品(10-100g)贮样器(0.5L-3L)抽真空(10-2 Torr)并加热样品蒸汽分子(压力陡度)漏隙高真空离子源。,优点： 引入样品量小(g)，样品蒸汽压可以很低；,b）直接探针进样：高沸点液体及固体 探针杆通常是一根规格为25cm6mm，末端有一装样品的黄金杯(坩埚)，将探针杆通过真空闭锁系统引入样品，如图所示。,c) 色谱进样： 利用气相和液相色谱的

7、分离能力，与质谱仪联用，进行多组份复杂混合物分析。,3、离子源,电离室原理与结构,分类（按样品离子化方式)： 气相源：先蒸发再激发，适于沸点低于500oC、对热稳定的样品的离子化，包括电子轰击源、化学电离源、场电离源、火花源； 解吸源：固态或液态样品不需要挥发而直接被转化为气相，适用于分子量高达105的非挥发性或热不稳定性样品的离子化。包括场解吸源、快原子轰击源、激光解吸源、离子喷雾源和热喷雾离子源等。,分类（按电离源能量高低）： 硬源：离子化能量高，伴有化学键的断裂，谱图复杂，可得到分子官能团的信息； 软源：离子化能量低，产生的碎片少，谱图简单，可得到分子量信息。因此，可据分子电离所需能量不

8、同可选择不同电离源。,1）电子轰击源(electron impact source, EI) 电子轰击法是通用的电离法，是使用高能电子束从试样分子中撞出一个电子而产生正离子，即,式中M为待测分子，M+为分子离子或母体离子。,当电子轰击源具有足够的能量时(一般为70eV)，有机物的分子不仅可能失去一个电子形成分子离子，而且有可能进一步发生键的断裂，形成大量的各种低质量数的碎片正离子和中性自由基，这些碎片离子可用于有机化合物的结构鉴定。,优点： 1）结构简单，稳定，电离效率高，易于实现； 2）质谱图再现性好，便于计算机检索及比较； 3）离子碎片多，可提供较多的分子结构信息。 缺点： 当样品分子稳定

9、性不高时，分子离子峰的强度低，甚至不存在分子离子峰。,化学电离法是通过离子-分子反应来进行，而不是用强电子束进行电离。离子与试样分子按一定方式进行反应，转移一个质子给试样或由试样移去一个电子，试样则变成带+1电荷的离子。,2）化学电离源(chemical ionization, CI) 在质谱中可以获得样品的重要信息之一是其相对分子质量。但某些物质的分子经电子轰击产生的M+峰，往往不存在或其强度很低。必须采用比较温和的电离方法，其中之一就是化学电离法。,化学电离源一般在1.31021.3103Pa （现已发展为大气压下化学电离技术）压强下工作，其中充满甲烷CH4，首先用高能电子，使CH4电离产

10、生CH5+和C2H5+，即： CH4 + e CH4+ + 2e CH4+ CH3+ + H,CH4+和CH3+很快与大量存在的CH4分子起反应，即： CH4+ + CH4 CH5+ + CH3 CH3+ + CH4 C2H5+ + H2,CH5+和C2H5+不与中性甲烷进一步反应，一旦小量样品（试样与甲烷之比为11000）导入离子源，试样分子（RH） 发生下列反应： CH5+ + RH RH2+ + CH4 C2H5+ RH R+ + C2H6 RH2+ 和R+ 可能再碎裂，产生质谱。 由(M+1)或(M-1)离子很容易测得其相对分子质量。,优点： 1）准分子离子峰强度高，便于推算分子量；

11、2）用于色质联用仪器上，载气不必除去，可作为反应气体； 3）反映异构体的差别较EI谱要好些。 缺点： 碎片离子峰少，强度低。,3） 场电离 (Field ionization, FI)和场解析(Field desorption, FD),应用强电场(电压梯度107-108V/cm)诱导样品电离,过程：强电场分子电子的量子隧道效应* 分子热分解或碰撞带正电荷的碎片离子阳极排斥出并加速进入磁场。,r1m,1mm,量子隧道效应(Quantum mechanical tunneling): 分子中的电子被微针“萃出”，分子本身很少发生振动或转动，因而分子不过多碎裂。 电极要求：电极尖锐，使用微碳针（1

12、m，W丝上的苯基腈裂解生成) 构成多尖陈列电极可提高电离效率。 FI特点：分子离子峰很清楚，碎片峰较弱，利于相对分子质量的测定，缺乏分子结构信息。,类似于场电离源，它也有一个表面长满“ 胡须”(长0.01mm)的阳极发射器(Emitter)。 过程：样品溶液涂于发射器表面 -蒸发除溶剂解吸样品分子强电场分子电离奔向阴极引入磁场。 特点：特别适于非挥发性且分子量高的离子峰和准分子离子峰，谱图最为简单（解吸所需的能量远低于气化所需的能量，所以有机化合物不会发生热分解；很多键不用断裂仍可以得到分子离子峰）。,场解析(Field desorption, FD),EI,FI,FD,4）二次离子质谱(se

13、condary ion mass spectrometry, SIMS)和 快原子轰击(Fast atom bombardment, FAB),一定能量的离子打到固体表面会引起表面原子、分子或原子团的二次发射，即离子溅射。溅射的粒子一般以中性为主，其中有一部分带有正、负电荷，这就是二次离子。利用质量分析器接收分析二次离子就得到二次离子质谱。,样品表面被高能聚焦的一次离子轰击时，一次离子注入被分析样品，把动能传递给固体原子，通过层叠碰撞，引起中性粒子和带正负电荷的二次离子发生溅射，根据溅射的二次离子信号，对被轰击样品的表面和内部元素分布特征进行分析。,快原子轰击过程：高速电子惰性气体电离电 场加

14、速高速原子离子束撞击涂有样品的金属 板能量转移给样品分子电离引入磁场分 离,Xe或Ar,SIMS和FAB特点：无需气化，整个过程可在室温下进行，有较强的分子离子峰，适合于高极性，大相对分子质量，低蒸气压，热稳定性差的试样，试样用量少并可回收。,5) 基质辅助激光解吸电离离子源（MALDI）,用激光照射样品与基质形成的共结晶薄膜，基质从激光中吸收能量传递给生物分子，而电离过程中将质子转移到生物分子或从生物分子得到质子，而使生物分子电离的过程。因此它是一种软电离技术，适用于混合物及生物大分子的测定。,飞行时间质量分析器（TOF）, TOF的原理是离子在电场作用下加速飞过飞行管道，根据到达检测器的飞

15、行时间不同而被检测即测定离子的质荷比（M/Z）与离子的飞行时间成正比 ，检测离子。,将样品分散在基质分子中并形成晶体。当用激光照射晶体时，基质从激光中吸收能量，样品解吸附，基质-样品之间发生电荷转移使得样品分子电离，电离的样品在电场作用下飞过真空的飞行管，根据到达检测器的飞行时间不同而被检测，即通过离子的质量电荷之比（m/z）与离子的飞行时间成正比来分析离子，并测得样品分子的分子量。例如，检测DNA样品时，DNA离子按其质量大小先后通过检测器，DNA片段越短，越早到达检测器。,6） 火花源 (Spark),针对金属合金或离子残渣样品等非挥发性无机物的分析，类似于AES（原子发射光谱）中的激发光

16、源。 过程： 30kV 脉冲电压 - 火花 - 样品局部高热 - 元素蒸发 - 原子或离子 - 经加速进入磁场进行分离。 特点：对于几乎所有元素的灵敏度较高，可达10-9；可以对极复杂样品进行元素分析，信息比较简单，一般线性响应范围都比较宽，标准核准比较容易。但由于仪器设备价格高昂，操作复杂，限制了使用范围。,7） 锎-252等离子体解析电离源（PDI）,252Cf原子衰变时裂解成两个几乎在同一直线上，方向相反的两个碎片离子，142Ba18+和106Tc22+，其中一个飞向飞行时间质谱仪的“开始检测器”，另一个飞向反方向，打在沉积在金属箔上的样品，样品温度瞬间升高，化合物来不及分解就从样品表面

17、挥发电离，形成分子离子。分子离子沿着打在样品上的高能快速重离子的飞行方向继续飞行，最后打在“停止”检测器上。两个检测器接收信号的时间差即为分子离子单位飞行时间，可转换成分子离子的质量。用于分析相对分子质量高的多肽和蛋白质样品。,8) 热喷雾电离(thermal spray,TSP)和电喷雾电离 (Electro spray ionizatin, ESI),准分子离子,电喷雾电离Electron spray Ionization，ESI,4. 质量分析器,加速后离子的动能 : (1/2)m 2= e V = (2V)/(m/e)1/2,（1）磁分析器（单聚焦分析器）,离子束经加速后飞入磁极间的弯

18、曲区，由于磁场作用，飞行轨道发生弯曲，此时离子受到磁场施加的向心力Bz作用，并且离子的离心力m2r-1也同时存在，当两力平衡时，离子才能飞出弯曲区，即： Bz = m2/r,其中B为磁感应强度，z为电荷，为运动速度，m为质量，r为曲率半径。调整后可得 m/z =B2r2/2 V V：离子的加速电压 a)固定B和V ，改变r，通过移动检测器狭缝位置来收集不同r处的离子或以感光板照相技术记录的不同m/z的离子质谱仪（mass spectrograph）。 b)现代质谱仪通常是保持r不变，通过扫描电场V或磁场B，使不同m/z离子依次通过固定狭缝来获得质谱图质谱计（Mass Spectrometer)

19、。,单聚焦质量分析器:只是将m/z相同而入射方向不同的离子聚焦到一点(R2=2Vm/zH2; R=mv/zH)。 但对于m/z相同而动能(或速度)不同的离子不能聚焦，故其分辨率较低，一般为5000。,1,2,3,4,5,2）双聚焦质量分析器,进入离子源的离子初始能量不为零且能量各不相同，在加速过程中所处位置不同，经加速后的离子能量也不相同，运动半径差异（r=mv2/zE），难以完全聚集。 解决办法：加一静电场Ee，实现能量分散：对于动能不同的离子，通过调节电场能，使离子进入磁场时有相同的能量，从而达到聚焦的目的。 特点：一般商品化双聚焦质谱仪的分辨率可达150000，质量测定准确度可达0.03

20、gg-1，即对于相对分子质量为600的化合物可测至误差上0.0002u。,箭头长短一样代表能量一样,3）四极质谱分析器(Quadrupole mass filter),过程：在两个相对应的极杆之间加上电压(V+Ucost)，在另两个相对应的极杆上加电压-(V+Ucost)。其中V 和U分别为直流电压、交流电压，与前述双聚焦仪的静电分析器类似，离子进入可变电场后，只有具合适的曲率半径的离子可以通过中心小孔到达检测器。 改变V和 U并保持V/ U比值一定，可实现不同m/e离子的检测。 特点：分辨率比磁分析器略低(R1000); m/e范围与磁分析器相当；传输效率比较高；扫描速度快，可用于GC-MS

21、 联用仪。,四极杆质量分离器,4）飞行时间质量分析器(Time of flight, TOF),返回,过 程：不同荷电碎片在飞出离子源的速度（动能）基本一致。某离子在到达无场漂移管前端时，其速度大小为：,到达无场漂移管末端的时间为：,不同离子通过同一长度为L的无场漂移管，所需时间相差：,由于不同m/e的离子，其飞出漂移管的时间不同，因而实现了离子的分离。因为连续电离和加速使检测器产生连续输出而不能得到有效信息，因此实际工作中常采用相同频率的电子脉冲电离和脉冲电场加速，被加速的粒子经不同的时间到收集极上，并反馈到示波器上记录，从而得到质谱图。 特 点：扫描速度快(1000幅/s)，可用于研究快速

22、反应或与GC联用；可用于高质量离子分析；体积小，操作容易；分辨率比磁分析器稍差。,5）离子阱质量分析器(Ion trap analyzer) 过程： 上下端罩(End cap)与左右环电极(Ring electrode)构成可变电场(前者接地，后者施以射频电压)带电离子在一定轨道上旋转改变电压可使相同m/e离子依次离开进入电子倍增器而分离。 特点： 结构简单、易于操作、GC-MS联用可用于m/e200-2000的分子分析。,离子阱的横截面图,6）傅立叶变换离子回旋共振分析器(Fourier transform Ion cyclotron resonance, FT-ICR),过程： 处于磁场B

23、中离子回旋离子吸收与B垂直的电场能量当离子能量和吸收能量相等共振切断交变电场回旋离子在电极上产生感应电流感应电流衰减记录该信号通过Fourier变换将时域图转换为频域图(质谱图)。 特点： 可用于分子反应动力学研究、扫描速度快，可与GC 联用、分辨率高、分析质量大、但仪器昂贵。,5、检测器 包括电检测器(Faraday 杯)、电子倍增器、闪烁计数器、微通道板等 1) Faraday 杯 下图是Faraday杯结构原理图 特点：可检测10-15A的离子流，但不适于高加速电压下的离子检测。,一定能量的离子轰击阴极导致电子发射，电子在电场的作用下，依次轰击下一级电极而被放大，电子倍增器的放大倍数一般

24、在105108,2）电子倍增器：类似于光电倍增管，可测10-18A电流。 3）闪烁计数器：记录离子的数目。 4）微通道板：一块MCP上约有上百万微通道，二次电子可以通道壁上碰撞倍增放大。,6.1.2 质谱仪的主要性能指标,1、质量测定范围 1）质谱仪的质量测定范围表示质谱仪所能进行分析的样品的相对原子质量（或相对分子质量）范围，通常采用原子质量单位（u）进行度量。 2）测定气体用的质谱仪，一般质量测定范围在2100，而有机质谱仪一般可达几千，现代质谱仪甚至可以研究相对分子量达几十万的生化样品。,3）使用电喷雾离子源，由于形成多电荷离子，可以测定的分子量能够达到100000。 4）四极杆分析器质

25、量范围不大于3000；而飞行时间分析器可以达到几十万。对于GC-MS，分子量一般不超过500，而LC-MS由于分析对象常常是生物大分子，质量范围宽好。 5）质量范围与离子源，分析器种类以及分析对象有关。,是指质谱仪分开相邻质量数离 子的能力。即：对两个相等强 度的相邻峰，当两峰间的峰谷 不大于其峰高10%时，认为两 峰已经分开，其分辨率为： 其中m1、m2为质量数，且 m1m2，故在两峰质量数相差 较小时，要求仪器分辨率越大。,2.分辨率R,在实际工作中，有时很难找到相邻的且峰高相等的两个峰，同时峰谷又为峰高的10%。在这种情况下，可任选一单峰，测其峰高5%处的峰宽W0.05，即可当作上式中的

26、m，此时的分辨率定义为：R = m/ W0.05 如果该峰是高斯型的，上述两式计算结果是一样的。质谱仪的分辨率由几个因素决定： （1）离子通道的半径。 （2）加速器与收集器狭缝宽度。 （3）离子源的性质。,3.灵敏度,质谱仪的灵敏度有绝对灵敏度、相对灵敏度和分析灵敏度等几种表示方法。 绝对灵敏度是指仪器可以检测到的最小样品量，有机质谱仪的灵敏度可以大于10-10g。 相对灵敏度是指仪器可以同时检测的大组分与小组分含量之比，例如相对灵敏度为10-9 ，表示仪器可以测定样品中杂质量是样品量的109分之一。 分析灵敏度则是指输入仪器的样品量与仪器输出的信号之比。,同位素灵敏度=IM/IM+1,4.

27、准确度和精密度,质谱仪的准确度高，例如某分子离子峰精确质量是250.1056,其真实值为250.1059 精密度指各测量值的偏差,6.1.3质谱仪的联用技术,质谱仪可以与其他仪器联用，如气相色谱-质谱联用（GC/MS）、高效液相色谱-质谱联用（HPLC/MS）；也可以质谱-质谱联用（MS-MS）。,（1）GC/MS、HPLC/MS仪： 基于色谱和质谱的仪器灵敏度相当（都可达到10-11g）,能够匹配，加之使分离效果好的色谱成为质谱的进样器，而速度快、分离好、应用广的质谱仪作为色谱的鉴定器，使它们成为目前最好的用于分析微量的有机混合物的仪器,（2）MS-MS： 质谱-质谱法是70年代后期迅猛发展

28、起来的。这种方法是指用质谱作质量分离的质谱技术(mass separetion-mass spectra characterization)。,它可以研究母离子和子离子的关系，让大的离子进一步裂解，获得裂解过程及离子组成的信息。 它有几种称呼，如质谱-质谱法（MS-MS或MS/MS）,串联质谱, 二维质谱法, 序贯质谱法。,实现MS-MS有2种方法：空间串联和时间串联式。,“空间串联”式：质谱仪的质量分析器头尾串联起来，组成MS-MS联用仪，在两个质量分析器中间安置一个碰撞室，用第一个质量分析器作为分离手段，选出要研究的离子，送入碰撞室使其与惰性气体或选定的分子发生碰撞，用第2个质量分析器分析

29、碰撞后的“子离子”。,离子阱质谱（又叫三维四极离子阱，ITMS）和傅立叶变换离子回旋共振质谱仪(FTICR-MS)都可以只用一个质量分析器，实现“时间串联”方式的MS-MS。,傅立叶变换离子回旋共振质谱中，首先用激光脉冲将要研究以外的其他离子赶出回旋池，池中只留下要研究的离子，将它激发到较大的回旋运动轨道，使其与惰性气体或选定的分子发生碰撞，再分析碰撞后的“子离子”。,6.2 质谱裂解表示法: 质谱裂解反应可以用裂解反应式表达。,6.2.1 正电荷表示法,偶电子离子（EE，ion of even electrons）用“+”表示， 奇电子离子（OE, ion of odd electrons）

30、用 “+”表示。,正电荷一般留在分子中杂原子、不饱和键电子系统和苯环上，如：,苯环电荷可表示为：,正电荷的位置不十分明确时，可以用 +或 +。表示：,如果碎片离子的结构复杂，可以在式子右上角标出正电荷。如：,判断裂片离子含偶数个电子还是奇数个电子，有下列规律： (1)由C、H、O、N组成的离子, N为偶数(零)个时，偶质量数离子则必含奇数个电子;奇质量数离子的则必含偶数个电子。 (CH3)3C+ (m/Z 57) (CH3)4C+ (m/Z 72),(2)由C、H、O、N组成的离子，N为奇数时，偶质量数离子则必含偶数个电子;奇质量数离子的则必含奇数个电子。 CH2=NH2 + (m/Z 30)

31、 CH3CH2NH2+ (m/Z 45),6.2.2 电子转移表示法,共价键的断裂有下列三种方式:,均裂：,异裂：,半异裂：,通常用单箭头 表示一个电子的转移； 用双箭头 表示一对电子的转移.,6.3裂解方式及机理,离子裂解应遵循下述“偶电子规则” ：,OEEE+游离基R(断1个键) OEOE+中性分子Nee(断2个键) EEEE+中性分子Nee(断2个键) EEOE+游离基R(断1个键) 最后一个反应非常罕见,6.3.1 影响离子丰度的主要因素：,峰的强度反映出该碎片离子的多少，峰强表示该种离子多，峰弱表示该种离子少。,影响离子丰度的主要因素有：,1.键的相对强度：首先从分子中最薄弱处断裂，

32、含有单键和重键时，单键先断裂。最弱的是C-X型（X= Br、I、O、S），该键易发生断裂。,2.产物离子的稳定性：这是影响产物离子丰度的最重要因素。产物的稳定性主要考虑正离子，还要考虑脱去的中性分子和自由基。,稳定的正离子一般来说可以是由于共轭效应、诱导效应和共享邻近杂原子上的电子使正电荷分散的缘故。脱去稳定的中性分子的反应也容易进行。,如在含杂原子的化合物中主要的离子稳定形式是杂原子中未成键轨道的电子共享，如乙酰基离子：,或共振稳定，如烯丙基阳离子非常稳定：,3原子或基团相对的空间排列（空间效应）：空间因素影响竞争性的单分子反应途径，也影响产物的稳定性。象需要经过某种过渡态的重排裂解，若空间

33、效应不利于过渡态的形成，重排裂解往往不能进行。,4. Stevenson 规则：在奇电子离子经裂解产生游离基和离 子两种碎片的过程中。有较高的电离电势（IP）的碎片趋 向保留孤电子，而将正电荷留在电离电势（IP）较低的碎 片上。,5.最大烷基的丢失：在反应中心有多个烷基时，最易失去的是最大烷基游离基 。,6.3.2质谱裂解方式,一、简单裂解 一个共价键发生断裂而脱离一个自由基。简单裂解的引发机制三种： 自由基引发（裂解），发生均裂或半异裂，反应的动力是自由基强烈的配对倾向； 电荷引发的裂解（诱导裂解，i 裂解），发生异裂，其重要性小于裂解； 没有杂原子或不饱和键时，发生CC键之间的断裂，第3周

34、期以后的杂原子与碳之间的CY键也可以发生断裂；,裂解类型可分为四种：简单，重排，多中心和随机裂解。,1. 裂解（自由基中心引发的裂解）,在奇电子离子（OE）中，定域的自由位置（即自由基中心）由于有强烈的电子配对倾向，它即提供了孤电子与邻近（位）的原子形成新的键，导致-原子另一端的键断裂。这种断裂通常称为断裂。 该键断裂时，两个碎片各得一个电子，因此是均裂。用 表示。也产生一个偶电子离子和一个自由基。 其通式可表达为：,（1）由自由基引发均裂，使带电荷基团与碳之间的键的断裂。各类化合物的裂解。,酮的裂解。,各类化合物的裂解,注意：同一个母体离子（例如 ）,以同一种裂解机制(例如)进行反应时，可以

35、在分子的好几个位置发生，以3-甲基-3己醇为例：,质谱图中将同时观测到所有这3种碎裂过程的产物。碎裂的一条经验规律，失去较大基团的碎裂总是占优势，因此上例中各碎片峰的强度次序是m/z73m/z87m/z101。,2. 断裂,如果化合物中有键，就可能发生键断裂，但由于键断裂所需的能量较大，所以仅当化合物分子中没有电子和n电子时，键的断裂才可能成为主要的断裂方法。 如烷烃离子，这时一个未成对的孤电子向一个碎片转移，因此是一种“半异裂”，用“ ”表示一个电子的转移产生一个偶电子离子和一个自由基。,断裂的产物越稳定，就越易断裂。 阳碳离子的稳定顺序为叔仲伯，所以异构烷烃 最容易从分支处断裂，且支链大的

36、易以自由基脱去 ，如：,过程：当键形成阳离子自由基时发生的碎裂过程，例如：,3. 诱导裂解（也称i 裂解）,在奇电子（OE）或（EE）中，由于正电荷的诱导效应，吸引了邻键上的一对成键电子而导致该键的断裂，称为诱导断裂。 此时，断裂键的一对电子同时转移到一个碎片上，因此属于“异裂”，用“ ”完整的箭号表示。可表示为：,i过程（i碎裂）：由正电荷（阳离子）引发的碎裂过程，它涉及两个电子的转移，仍以酮类的 为例：,与裂解比较：两个电子的转移，从而导致正电荷位置的迁移，于是观测到的将是R1+和R2离子，而不是碎裂过程所观测到的R1CO+和R2CO+离子。 i过程常和过程同时发生，具体是哪一种过程占优势

37、主要由反应物和产物的结构决定。i过程也是广泛存在的常见的碎裂过程，例如：,含有杂原子的化合物，如醇、醚、酮、酸、卤代物等均可可发生 i 裂解，如酮的 i 裂解：,诱导断裂的能力随杂原子电负性的增强而增强： XO、SNC（X为Cl、Br、I）。 一些饱和烃的偶电子离子，也发生i断裂，脱去一个烯：,4.有机化合物中的简单开裂类型,（1）饱和烃 饱和烃中没有高级的分子成键轨道，只能发生键断裂，因此，这种断裂也称为断裂。,在此种断裂中由OE离子裂解，得到一个EE碎片和一个R。,若电离时失去的电子来自某个单键，则在这个位置上开裂肯定是有利的，较强碎片离子一定是能较好稳定正电荷的离子，例如：,1）烷烃的简

38、单开裂可表示为：,2）含有杂原子化合物RX的单纯开裂 化合物RX（X：OH、SR、NR2、OR或F等）容易发生开裂（CC）键开裂）。这类反应中，一个不成对电子与相邻的原子形成一个新键，同时，伴随原子上另一个键开裂，这是因为新键的形成补尝了一个键开裂所需的能量。这种开裂方式最容易发生。如：,上式中R、 R和R”哪个容易脱离呢？一般是遵循最大烷基游离基丢失规则，例如：上右所示。 当分子中同时含有OH、NH2等几种基团时，开裂方向与各种基团离子的相对稳定性有关，其稳定性顺序为：,化合物RX除发生开裂外，也可能发生开裂（具有正电荷原子与碳原子间的开裂）。 开裂有两种途径：,如果R稳定性大就容易按途径1

39、发生列裂，反之按途径2开裂。例如：醚ROR，一般R比OR稳定，所以易按途径1开裂，而硫醚RSR，一般SR比R稳定，所以易按途径2开裂。,（2）不饱和烃和芳烃,在含双键的化合物中，在双键的CC键断裂经常发生裂解，得到一个烯丙基正离子，这种开裂称为烯丙基开裂。,（鎓离子m/z=91）,1）含有双键分子的单纯开裂,分子中有双键时容易发生开裂，又称为烯丙基开裂：,2）在芳香核的位发生开裂含铡链的芳烃易发生开裂，又称为苄基开裂，所产生的苄基离子立即转化为更稳定的卓鎓离子，例如：,3）脱离小分子的开裂 由单纯开裂产生的RCH2CH2或RCO会进一步开裂脱离中性分子。这个过程有2个电子转移，如：,（4）含有

40、孤对电子的杂原子化合物,正电荷游离基优先定位于杂原子上，而引发的一系列裂解反应。如果发生的是半异裂或均裂，称为断裂，如果发生的是异裂就称为诱导（i）断裂。,由正电荷引发的异裂裂解反应称为i裂解。 由于正电荷具有吸引或极化相邻成键电子的能力，可分为奇电子离子型和偶电子离子型。 裂解通式：,裂解过程是由于正电荷的诱导，吸引一对电子（成键电子）而发生裂解，正电荷移位。 由RY形成R的倾向是：卤素O、SN、C； 对于周期表中同一行元素，这种倾向平行于Y诱导效应。,偶电子的裂解反应占优势的是产生EE离子和中性分子的反应，所产生的EE离子还可进一步因电荷诱导而裂解成m/z较小的EE离子。如：,羰基的裂解和

41、i裂解反应是相互竞争的，一般情况下， 裂解反应趋势更大，因为正碳酰鎓离子更稳定。,硝基化合物中，由于硝基有强的电负性，出现明显的i断裂碎片：,芳香族硝基化合物相应的i断裂大为减少。 烃基正离子也可能相继发生i断裂：,含杂原子的化合物更普遍的是发生“均裂”为特征的开裂。 这是由于杂原子的吸电子性强，使CC之间的键更弱一些的缘故。,总结：含有以双键连结的杂原子化合物的单纯开裂,由于杂原子上P电子与C发生共轭而致稳的原因，这类化合物容易发生开裂（要注意这里的开裂和前面的位置），例如：,二、重排开裂,重排开裂在共价键断裂的同时，发生有氢原子的转移。一般有两个键发生断裂，少数情况下发生有碳骨架重排。 一

42、般重排开裂前后离子电子奇偶性不发生变化。 由于离子的质量数的奇偶性与该离子所含电子数奇偶性有一定的对应关系，我们就可以从质谱中母离子与子离子的质荷比奇偶性的变化中得知该裂解是简单开裂还是重排开裂。 重排裂解是质谱反应中的重要部分，由它们产生的离子，对于推断结构是很有价值的。,（一）正电荷游离基中的游离基引发的重排反应,1.-H重排到不饱和基团上并伴随发生CC断裂 麦氏重排：凡是具有-H的化合物，经过六元环空间排列的过渡态，-H原子重排转移到带正电荷的杂原子上，接着发生烯丙基型开裂，并消除一个中性分子。,这种在碎裂之前先发生氢重排的过程在有机质谱中是极为普遍的。 不但奇电子离子可以通过游离基引发

43、，偶电子离子通过正电荷也可以引发； 不但可以有上述六员环过渡状态，也可以有四员环过渡状态。 氢重排之后的后续反应可以是也可以是 i 或甚至是。 麦氏重排的条件： （1）含有重键。 （2）与重键相连的-C上有氢原子,说明： -H是通过一个在立体化学上有利的六元环过渡态转移的。 最初的断裂没有使离子中任何一部分丢失，而只引起游离基中心位置改变。 新的游离基立即诱发一个断裂反应，导致处于羰基CC位置的碳碳键断裂； 与此同时失去一个烯烃或其他中性分子，形成一个奇电子离子。 在重排反应中也可能发生电荷转移。 在离解过渡态中，分解的产物互相争夺电荷，占优势的离子产物应是电离能（I）较低的碎片（Steven

44、son规则）。 可产生这样重排的化合物有含羰基的衍生物、碳酸酯、磷酸酯、亚硫酸酯、亚胺、肟、腙、烯、炔、腈和苯环化合物。,2.氢原子重排到饱和杂原子上并伴随邻键的断裂,该裂解反应与一个饱和杂原子上的正电荷游离基有关。 在下列反应中又是这个未成对电子与一个临近的、处于 适当构型的氢原子形成一个新键，即一个氢原子转移到 杂原子上。 随后可能发生一个电荷定位引发的反应，即杂原子的一 个键断裂形成(MHYR)离子。进一步的电荷定位引 发反应将通过相距杂原子2个或更多个键的键断裂，产 生次级产物。,在反应的第一步中转移的是哪一个氢原子，对于新形成产物的影响不大。 而且，由于产生的含杂原子的碎片是饱和的，

45、它对电荷的争夺力很弱，就使得电荷转移更为普遍。电荷转移反应对电负性原子团有利。 电离能较高的饱和小分子，如H2O、C2H4、CH3OH、H2S、HCl和HBr，常以这种方式丢失。 这种由于氢重排到饱和杂原子上，然后再使邻位键断裂，经常是脱去一个小分子。脱去的小分子多是H2O、C2H4、CH3OH、H2S、HCl和HBr 等。P259例子。,3.消除重排,消除重排：是随着基团的迁移同时消除小分子或自由基碎片，反应与氢重排相似，只中迁移的不是氢而是一种基团，也称“非氢重排”。在消除重排中，消除中性碎片通常是电离能较高的小分子或自由基，如CO、CO2、CS2、SO2、HCN、CH3CN和CH3等。,

46、4.置换反应（取代重排）,是一种非氢重排，在分子内部两个原子或基团（常常是带游离基的），能够相互作用，形成一个新键，与此同时，其中一个基团（或两者）的另一键断裂，在置换的同时发生环化反应，在这一过程中会断掉一根键而形成新的键：,（二）正电荷引发的重排反应,断裂产生的偶电子离子，若含不饱和键及H，则H可通过四元环过渡态发生重排裂解。 1.在伯、仲、叔碳原子上有OH、NH2或SH时，要发生开裂，而产生的碎片离子如果能形成四元环过渡态，就会发生下面重排：,2.由醚、硫醚、仲胺和叔胺的单纯开裂产生的鎓离子，如果含有乙基以上的烷基，会进一步重排而脱离链烯：,为实现这种重排，在氧原子上要有一个乙基或更大的

47、基团，以满足过渡态对空间的要求。 类似的，各级醇都能得到m/z31的碎片离子。 这种由于杂原子上正电荷的定位引发的-H向杂原子的重排比上述通过四元环过渡向饱和杂原子的重排更为普遍。 偶电子离子也能产生与电荷中心（或不饱和杂原子）无关的氢重排：,3.取代芳香化合物的正离子，可借四元环过渡态重排，失去中心分子。,（三）双氢重排,在质谱上有时会出现比单纯开裂多两个质量单位的离子碎片，这是因为从脱离的基团有两个氢原子转移到这个离子上。叫双氢重排或双重重排。 1.乙酯以上的酯和碳酸酯,式中AC、S、O，n=1、2、3时，A的组成可以是CH2CH2CH2、CH2OCH2、 CH2CH2O等，B为C、O、S

48、，但B为O（或S）时，A的末端不应该是O或S。另外（a）式中必须有能移动的两个氢原子。分子为碳酸酯时，R为OR。 根据双氢重排就可以判断酯中酸部分的组成。例如：根据m/z61或m/z89就知道该化合物是乙酸酯或丁酸酯，因为离子（b）的m/z为61n14（R15m/z=61）。,一些双氢重排的例子：,2.在邻接碳原子上有适当的取代基时也发生双氢重排。,三、环裂解多中心断裂,四、随机断裂,四、预测裂解方式的原则,1.易于产生稳定离子的裂解是易于发生的。 2.易于脱去中性分子的裂解易于进行，中性分子有： NH3、H2O、H2S、CH3COOH、CH2=CH2、 HCN、 CH3OH、CO、HCl、C

49、O2等。 3.经过六元环重排的裂解是易于进行的（通过氢迁移，-键断裂）。 （1）具有氢原子的酮、醛、酸、酰胺易发生重排； （2）链烯的重排； （3）烷基笨的重排； （4）苯基乙醇的重排； （5）芳基醚的重排。,结论：,（1）裂解方式是一个单键断裂的话，奇数个电子的M+产生奇电子数的中性碎片（即自由基）和一个偶电子数的碎片离子（阳离子）； （2）裂解方式是两个键断裂，奇数个电子的M+ 产生一奇电子数的碎片离子 (正离子自由基) 和一个偶电子数的中性分子； （3）裂解后形成的离子如果是由 C、H 或 C、H、O、N含偶数个N（包括0）组成的离子的话若离子含有奇数个电子，则其质量数为偶数；若含偶数个

50、电子，则其质量数为奇数；若含奇数个N，则情况相反。,第三节 质谱图及离子峰类型,一、质谱图与质谱表 质谱法的主要应用是鉴定复杂分子并阐述其结构，确定元素的同位素及分布等。一般的质谱给出的数据有两种形式：一是棒图即质谱图，另一个为表格即质谱表 质谱图是以质荷比（m/z）为横坐标，相对强度为纵坐标构成。一般将原始质谱图上最强的离子峰为基峰并定为相对强度为100%，其它离子峰以对基峰的相对百分值表示。 质谱表是用表格形式表示的质谱数据。质谱表中有两项即质荷比和相对强度，从质谱图上可以直观地观察整个分子的质谱全貌，而质谱表则可以准确地给出精确的m/z值及相对强度值，有助于进一步分析。,二、离子峰,分子

51、在离子源中可以产生各种电离，即同一种分子可以产生多种离子峰，主要的有分子离子峰、碎片离子峰、亚稳离子峰和同位素离子峰等 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。,（一） 分子离子峰,试样分子在高能电子撞击下产生正离子，即； M + eM+2e 式中M为待测分子，M+为分子离子或母体离子， m/z 即为分子的分子量，对于有机物，杂原子 S，O，P，N等上的未共用电子对最易失去，其次是电子，再其次是电子，有机化合物分子离子峰的稳定性顺序： 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,（二）碎片离子峰,一般有机化合物

52、的电离能为713电子伏特，质谱中常用的电离电压为70电子伏特，使结构裂解，产生各种“碎片”离子,正己烷,（三）亚稳离子峰,若质量为m1的离子在离开离子源受电场加速后，在进入质量分析器之前，由于碰撞等原因很容易进一步分裂失去中性碎片而形成质量m2的离子，即 m1m2+m 由于一部分能量被中性碎片带走，此时的m2离子比在离子源中形成的m2离子能量小故将在磁场中产生更大的偏转，观察到的m/z 较小，这种峰称为亚稳离子峰，用m*表示。它的表观质量m*与m1、m2的关系是： m* =（m2）2/m1 式中m1为母离子的质量， m2为子离子的质量,亚稳离子峰由于其具有离子峰宽大（约2-5个质量单位）、相对

53、强度低、m/z不为整数等特点，很容易从质谱图中观察 通过亚稳离子峰可以获得有关裂解信息，通过对m*峰观察和测量，可找到相关母离子的质量与子离子的质量m2从而确定裂解途径 例，某质谱图有分子离子峰192，较强峰有93，121，136，另外还有亚稳离子峰108.2和71.8;121 /136=107.8 93 /121=71.5和亚稳离子峰108.2和71.8相近,因此可以肯定以下裂解过程: m/z136 m/z121 m/z93,（四）同位素离子峰,有些元素具有天然存在的稳定同位素，所以在质谱图上出现一些M+1，M+2的峰，由这些同位素形成的离子峰称为同位素离子峰。 在一般有机分子鉴定时，可以通

54、过同位素峰统计分布来确定其元素组成，分子离子的同位素离子峰相对强度之比符合一定的统计规律。,（五）重排离子峰,在两个或两个以上键的断裂过程中，某些原子或基团从一个位置转移到另一个位置所生成的离子，称为重排离子。质谱图上相应的峰为重排离子峰,含有C=O，C=N，C=S及C=C 与双键相连的链上有碳，并在碳有H原子（氢） 六圆环过度，H 转移到杂原子上，同时 键发生断裂，生成一个中性分子和一个自由基阳离子,麦氏重排条件：,三 断裂方式及有机化合物的断裂图象,当电子轰击能量在5070eV时，分子离子进一步分裂成各种不同m/z 的碎片离子。碎片离子峰的相对丰度与分子中键的相对强度、断裂产物的稳定性及原

55、子或基团的空间排列有关。其中断裂产物的稳定性常常是主要因素。质谱的裂解反应是单分子反应 由于碎片离子峰，特别是相对丰度大的碎片离子峰与分子结构有密切的关系，所以，掌握有机分子的 裂解方式和规律，熟悉碎片离子和碎片游离基的结构，了解有机化合物的断裂图象，对确定分子的结构是非常重要。,（一）断裂方式,有机化合物的断裂方式有三种类型：均裂、异裂和半异裂 均裂：一个键的两个电子裂开，每个碎片上各保留一个电子。即：,异裂 ：一个键的两个电子裂开后，两个电子都归属于其中某一个碎片，即： 半异裂 ：离子化键的开裂，即：,（二）重要有机化合物的断裂规律和断裂图象,1. 饱和烃类 直链烷烃分子离子常可观察到，随

56、分子量增加，其强度越来越小,支链烷烃的断裂，容易发生在被取代的碳原子上。这是由于在正碳离子中，稳定性顺序如下： 通常，分支处的长碳链将最易以游离基形式首先脱出,分子离子峰都很弱（226）；峰间隔和相对强度不同。甲基分支烷烃有M-15峰（211），而直链烷烃有M-29峰（197）；m/z=85，71，57等处相对强度明显不同,支链和直链十六烷的质谱图,2 烯烃,烯烃多在双键旁的第二个键上开裂，丙烯型共振结构对含有双键的碎片有着明显的稳定作用，但因重排效应，有时很难对长链烯烃进行定性分析：,3 羧酸、酯和酰胺,羧酸、酯和酰胺容易发生开裂，产生酰基阳离子或另一种离子：低级脂肪酸常有M-17（OH），

57、M-18（H2O）和M-45（CO-OH）峰,4 醛和酮,醛和酮的分子离子峰均是强峰。脂肪醛M-1和M峰强度相似，而M-29（HCO）峰往往很强。芳香醛易产生M-29峰。其他有M-18（H2O）和M-28（CO） 酮类往往产生烃基M：43，57，71等 醛和酮容易发生开裂， 即在与其相邻的键上，产生酰基阳离子,通常，R1、R2中较大者容易失去。但是，醛上的氢不易失去，常常产生m/z 29的强碎片离子峰,5 芳香族化合物,苯的最强峰为 M+，芳香族化合物将先失去取代基，再形成苯甲离子：在苯环上的邻、间、对位取代很难通过质谱法来进行鉴定,芳香醛、酮和酯类化合物发生断裂后，产生m/z 105 然后进

58、一步失去CO，生成m/z 77的苯基阳离子：,第四节 质谱应用及谱图解析,一、质谱定性分析 质谱可以进行纯物质的相对分子质量测定、化学式确定及结构鉴定等 二、质谱的定量分析 质谱检出的离子强度与离子数目成正比，通过离子强度可进行定量分析,（一）相对分子质量的测定,根据分子离子峰质荷比可确定分子量，通常分子离子峰位于质谱图最右边，但由于分子离子的稳定性及重排等，质谱图上质荷比最大的峰并不一定是分子离子峰。那么，如何辩认分子离子峰呢？,1 原则上除同位素峰外，分子离子峰是最高质荷比的峰。但要注意，“醚、胺、脂、酰、胺腈和胺醇的(M+H)+ 峰”及“芳醛、醇或含氮化合物等的(M-H)+ 峰” 2 分

59、子离子峰应符合“氮律”。在C、H、O组成的化合物中，分子离子峰的质量数一定是偶数；在含C、H、O、N化合物中，含0个或偶数个N的分子量为偶数，含奇数个N的分子量为奇数 3 分子离子峰与邻近峰的质量差是否合理。有机分子失去碎片大小是有规律的：如失去H、CH3、H2O、C2H5.,因而质谱图中可看到M-1，M-15，M-18，M-28等峰，而不可能出现M-3，M-14，M-24等峰，如出现这样的峰，则该峰一定不是分子离子峰 4EI源中，当电子轰击电压降低，强度不增加的峰不是分子离子峰,有机化合物分子离子峰的稳定性顺序： 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 如何识别分子离子峰？ 首先在高质荷比区假定分子离子峰，判断分子离子峰与相邻碎片离子峰的关系是否合理，然后判断是否符合氮律。存在同位素峰时，会有质量高12个单位的峰，但这种峰的强度