《波谱解析MS》PPT课件.ppt

第五章 质谱,Mass Spectrometry,MS,5.1 质谱的基本知识,5.1.1 质谱仪,进样系统,离子源,质量分析器,检测器,1.气体扩散2.直接进样3.气相色谱,1.扇形磁场 2.四极分析器 3.离子阱4.飞行时间质量分析器,质谱仪需要在高真空下工作：离子源（10-3 10-5 Pa）质量分析器（10-6 Pa）(1)大量氧会烧坏离子源的灯丝；(2)用作加速离子的几千伏高压会引起放电；(3)引起额外的离子分子反应，改变裂解模型，谱图复杂化。,1.电子轰击2.化学电离3.电喷雾电离4.基质辅助激光解析电离,离子源种类:,电子轰击(electron impact，EI)源：快原子轰击（fast atom bombardment,FAB）源化学电离（chemical ionization,CI）源电喷雾电离（electron spray ionization,ESI）源基质辅助激光解吸电离(matrix assisted laser desorption ionization,MALDI)源,5.1.2 质谱仪主要性能指标,1.灵敏度2.分辨率3.质量范围,5.1.3 质谱图,横坐标：质荷比(m/z)纵坐标：离子峰的相对丰度,一般质谱图上质荷比最大的峰为分子离子峰；有例外。,图中强度最大的峰（称为标准峰或基峰）为100，其余的峰按与标准峰的比例表示，也成为百分相对丰度。,基峰是指图中最强的离子峰，但基峰不一定就是分子离子峰。,术语：质谱峰，基峰，分子离子峰,5.1.4 质谱的离子类型,1.分子离子,分子离子峰：一个电子形成的离子所产生的峰。分子离子的质量与化合物的相对摩尔质量相等。,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。,分子离子峰的特点：,一般质谱图上质荷比最大的峰为分子离子峰；有例外。形成分子离子需要的能量最低，一般约电子伏特。,2.碎片离子峰,一般有机化合物的电离能为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,碎片离子峰,正癸烷,3、同位素离子峰,由于同位素的存在，可以看到比分子离子峰大一个质量单位的峰；有时还可以观察到M+2，M+3。；,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,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。,对于含有Cl,Br,S 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)=3:4:1,4.亚稳离子 过程：质量数为m1的多个带电离子，其中部分失去中性碎片m而变成m2(此时m1能量变小，在磁场中有更大的偏转)从而形成亚稳离子峰m*，此时可将此峰看成m1和m2的“混合峰”，即形成“宽峰”，极易识别。且满足下式：此式可用于寻找裂解途径(通过母离子m1 与子离子m2的关系)。,亚稳离子（metastable ion）,稳定离子 寿命10-5秒，检测器记录 M1不稳定离子 寿命10-6秒，检测器记录 M2亚稳离子 寿命10-610-5秒，检测器记录M*表观质量数M*M*=M22/M1,M1,M2,举例 对氨基茴香醚在m/z94.8及59.2处，出现了两个亚稳峰，可证明某些离子间的裂解关系。,说明：两个亚稳峰的存在，证明了m/z80离子是由分子离子经两步裂解生成，而不是一步裂解。,CH3,CH3,CH-NH-CH,CH3,CH3,+,CH3,CH3-CH-NH-CH,CH2,CH3,+,H,CH3-CH=CH2（中性碎片）,CH3-CH=NH2 m/z44（强峰）,+,m/z86,m/z101,例如：二异丙胺质谱在m/z22.8处有亚稳离子峰，此外有两个强峰m/z86和m/z44和一个弱峰m/z101。m/z44离子是m/z86离子的重排开裂产生的。亚稳离子峰为此种开裂历程提供了证据。m*=22.8 442+/86=22.5,5.重排离子 原子或基团经重排后再开裂而形成一种特殊的碎片离子，称重排离子。如醇分子离子经脱水后重排可产生新的重排离子峰。6.多电荷离子,5.2 离子裂解的机理,5.2.1 离子的单分子裂解,5.2.2 离子丰度的影响因素,1.产物离子的稳定性,2.Stevenson规则,3.质子亲和能,4.最大烷基丢失,5.中性产物的稳定性,有机质谱中的裂解反应,化学键的断裂可分为下列三种情况:1均裂2异裂3半异裂,离子的裂解方式：,离子的裂解是指分子中有一个化学键断裂，常见的两种断裂方式为均裂和异裂。断裂时两个成键电子分别属于两个碎片称为均裂；两个电子同时归属于某一个碎片称为异裂（表示电子）：,5.3.1 自由基中心引发的 断裂反应,自由基引发的断裂反应，动力来自自由基强烈的电子配对倾向。该反应由自由基中心提供一个电子与邻接的原子形成一个新键，而邻接原子的另一个化学键则发生断裂。下面分述几种含n、电子化合物发生断裂反应的情况。1.饱和杂原子(Y)化合物的断裂反应 电负性：N S O Cl 生成正离子的稳定性:N S O Cl2.含不饱和杂原子化合物的断裂反应3.碳不饱和键化合物的断裂反应,5.3.2 电荷中心引发的 i 断裂反应电荷中心引发的i断裂反应（诱导断裂），动力来自电荷的诱导效应，涉及正电荷对一对电子的吸引。,5.3.3 环状结构的裂解反应,对于环状结构的化合物，分子中必须有两个键断裂才能产生一个碎片。因此，环的裂解产物中一定有一个奇电子离子,环己烯的六元环可以通过相当于逆DielsAlder反应（RDA）发生裂解而形成碎片离子,5.3.4 麦氏（Mclafferty）重排反应,具有以下结构通式A的化合物，可进行H重排到不饱和基团上，并伴随发生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。,5.3.5 正电荷中心引发的重排反应 非环状偶电子离子可发生类似以下经四员环过渡态的重排：,5.3.6 氢重排到饱和杂原子上并伴随邻键 断裂的反应,5.4 常见各类化合物的质谱,1.直链烷烃,饱和烃,重要类型有机化合物裂解,甲烷,2.支链烷烃,3.环烷烃,芳烃,醇和酚,伯醇,仲醇,叔醇,m/z 31,m/z 45,m/z 59,断裂丢失最大烃基的可能性最大丢失最大烃基原则,酚类的分子离子峰M 很强，往往是基峰,酚容易失去CO和CHO 形成M-28和M-29的离子峰,见P245图,醚类,断裂,i 断裂,醛、酮:麦氏重排,酸,其它化合物,结构未知（C6H12O，酮）,解析：1 100，分子离子峰285，失去CH3（15）的产物357,丰度最大,稳定结构 失去CO(28)后的产物,质谱分析的应用,一、质谱定性分析 1相对分子质量的测定 从分子离子峰的质荷比可以准确地测定其相对分子质量，故准 确地确认分子离子峰十分重要。理论上可认为除同位素峰外分子离子峰应是最高质量处的峰，但在实际中并不能由此简单认定。有时由于分子离子稳定性差 而观察不到分子离子峰，因此在实际分析时必须加以注意。,5.5 质谱分析的应用,在纯样品质谱中，分子离子峰应具有以下性质：,（l）原则上除同位素峰外它是最高质量的峰。但某些样品会形成质子化离子(MH)+峰（醚，脂，胺等），去质子化离子(MH)+峰（芳醛、醇等）及缔合离子(MR)+峰；,（2）符合“氮律”；在只含C，H，0，N的化合物中，不含或含偶数个氮原子的分子的质量数为偶数，含有奇数个氮原子的分子的质量数为奇数。这是因为在由C，H，0，N,P卤素等元素组成的有机分子中，只有氮原子的化合价为奇数而质量数为偶数。,（3）存在合理的中性碎片损失。在有机分子中，经电离后，分子离子可能损失一个H或CH3，H20，C2H4等碎片，相应为 M-l，M-15，M-18，M-28碎片峰，而不可能出现M-3至M-14，M-21至M-24范围内的碎片峰，若出现这些峰，则峰不是分子离子峰。,（4）在EI源中，若降低电子轰击电压，则分子离子峰的相对强度应增加；若不增加则不是分子离子峰。,注意“醚、胺、脂的(M+H)+峰”及“芳醛、醇等的(M-H)+峰”。,分子离子峰的相对强度直接与分子离子稳定性有关，大致顺序是：芳香环共轭烯烯脂环羰基化合物直链碳氢化合物 醚脂胺酸醇支链烃同系物中，相对分子质量越大则分子离子峰相对强度越小。,2化学式的确定,由于高分辨的质谱仪可以非常精确地测定分子离子或碎片离子的质荷比（误差可小于10-5），则利用表21-3中的确切质量求算出其元素组成。如CO与N2两者的质量数都是28但从表21-3可算出其确切质量为27.9949与28.0061，若质谱仪测得的质行比为28.0040则可推断其为N2。同样，复杂分子的化学式也可算出。,质谱解谱过程,（一）解析分子离子区,(1)标出各峰的质荷比数，尤其注意高质荷比区的峰。,(2)识别分子离子峰。首先在高质荷比区假定分子离子峰，判断该假定分子离子峰与相邻碎片离子峰关系是否合理，然后判断其是否符合氮律。若二者均相符，可认为是分 子离子峰。,(3)分析同位素峰簇的相对强度比及峰与峰间的Dm值，判断化合物是否含有Cl、Br、S、Si等元素及F、P、I等无同位素的元素。,(4)推导分子式，计算不饱和度。由高分辨质谱仪测得的精确分子量或由同位素峰簇的相对强度计算分子式。若二者均难以实现时，则由分子离子峰丢失的碎片及主要碎片离子推导，或与其它方法配合。,(5)由分子离子峰的相对强度了解分子结构的信息。分子离子峰的相对强度由分子的结构所决定，结构稳定性大，相对强度就大。对于分子量约200的化合物，若分子离子峰为基峰或强蜂，谱图中碎片离子较少、表明该化合物是高稳定性分子，可能为芳烃或稠环化合物。,例如：萘分子离子峰mz 128为基峰，蒽醌分子离子峰mz 208也是基峰。分子离子峰弱或不出现，化合物可能为多支链烃类、醇类、酸类等。,（二）、解析碎片离子,(1)由特征离子峰及丢失的中性碎片了解可能的结构信息。若质谱图中出现系列CnH2n+1峰，则化合物可能含长链烷基。若出现或部分出现mz 77，66，65，51，40，39等弱的碎片离子蜂，表明化合物含有苯基。若mz 91或105为基峰或强峰，表明化合物含有苄基或苯甲酰基。若质谱图中基峰或强峰出现在质荷比的中部，而其它碎片离子峰少，则化合物可能由两部分结构较稳定，其间由容易断裂的弱键相连。,(2)综合分析以上得到的全部信息，结合分子式及不饱和度，提出化合物的可能结构。,(3)分析所推导的可能结构的裂解机理，看其是否 与质谱图相符，确定其结构，并进一步解释质谱，或与标准谱图比较，或与其它谱(1H NMR、13C NMR、IR)配合，确证结构。,