质谱法的离子种类及碎片离子.ppt
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1、质谱法,离子种类及碎片离子,质谱中的离子,1.分子离子 分子被电子束轰击失去一个电子形成的离子称为分子离子。分子离子用 M+表示。分子离子是一个游离基离子。在质谱图中与分子离子相对应的峰为分子离子峰。分子离子峰的应用:分子离子峰的质荷比就是化合物的相对分子质量,所以,用质谱法可测分子量。2.同位素离子 含有同位素的离子称为同位素离子。在质谱图上,与同位素离子相对应的峰称为同位素离子峰。,3.碎片离子 分子离子在电离室中进一步发生键断裂生 成的离子称为碎片离子。4.重排离子 经重排裂解产生的离子称为重排离子。其结构并非原来分子的结构单元。在重排反应中,化学键的断裂和生成同时发生,并丢失中性分子或
2、碎片。5.奇电子离子与偶电子离子 具有未配对电子的离子为奇电子离子。记为:M+.,A+.;这样的离子同时也是自由基,具有较高的反应活性。无未配对电子的离子为偶电子离子。如:D+,6.多电荷离子 分子中带有不止一个电荷的离子称为多电荷离子。当离子带有多电荷离子时,其质核比下降,因此可以利用常规的四极质量分析器来检测大分子量化合物。7.亚稳离子 从离子源出口到检测器之间产生的离子。即在飞行过程中发生裂解的母离子。由于母离子中途已经裂解生成某种离子和中性碎片,记录器中只能记录这种离子,也称这种离子为亚稳离子,由它形成的质谱峰为亚稳峰8.准分子离子 比分子量多或少 1 质量单位的离子称为准分子离子,如
3、:(M+H)+、(M+H)+不含未配对电子,结构上比较稳定。,4.3 分子离子,分子离子峰的识别1.在质谱图中,分子离子峰应该是最高质荷比的离子峰(同位素离子及准分子离子峰除外)。2.分子离子峰是奇电子离子峰。3.分子离子能合理地丢失碎片(自由基或中性分子),与其相邻的质荷比较小的碎片离子关系合理。即在比分子离子小414及2025个质量单位处,不应有离子峰出现。4.氮律:当化合物不含氮或含偶数个氮时,该化合物分子量为偶数;当化合物含奇数个氮时,该化合物分子量为奇数。,4.3.2 分子离子峰的相对强度,1.分子离子峰强弱的大致顺序 芳环(包括芳杂环)脂环化合物 硫醚、硫酮 共轭烯烯酮不分支烃醚酯
4、胺酸醇高分支烃2.芳环(包括芳杂环)、脂环化合物、硫醚、硫酮、共轭烯分子离子峰比较明显3.直链酮、酯、酸、醛、酰胺、卤化物等通常显示分子离子峰。4.脂肪族醇、胺、亚硝酸酯、硝酸酯、硝基化合物、腈类及多支链化合物容易裂解,分子离子峰通常很弱或不出现。4.3.3 M+.峰和(M+1)+峰或(M-1)+峰的判别 醚、酯、胺、酰胺、腈化物、氨基酸酯、胺醇 等可能有较强的(M+1)+峰;芳醛、某些醇或某些含氮化合物可能有较强的(M-1)+峰。,分子离子峰的获得,1.降低电子能量 通常EI源所用电子的能量为70eV,在高能量电子的轰击下,某些化合物难得到分子离子。这时可采用1020eV左右的低能电子,虽然
5、总离子流强度会大大降低,但有可能得到一定强度的分子离子。2.制备衍生物 某些化合物不易挥发或热稳定性差,可以衍生化处理。例如,可将某有机酸制备成相应的酯,酯容易气化,而且易得到分子离子峰,由此来推断有机酸的分子量。3.采用软电离方式 软电离方式很多,如化学电离源、快原子轰击电离源、电喷雾电离源等。由准分子离子来推断出化合物的分子量。,一、影响离子丰度的因素 1、产物的稳定性 分子 如果分解能够生成中性分子,稳定,有利于生成对应的离子。质谱中常见失去的中性分子:H2O,CO,CO2,HCN,CH3OH,HX,CH2=C=O,H2S。离子 CH2=CHCH2+CH2=CHCH2 共振体 m/z41
6、,4.4离子裂解反应,共振体 m/z43,m/z57,叔碳离子,自由基 叔碳自由基,烷氧自由基等。最大烷基丢失规则:在有分枝处碎裂时,如果有几种可能失去烷基时,以失去最大 烷基所对应的离子的丰度最大。,Stevenson规则:AB+A+B A+和B+为互补离子 B+A 电离势低者,丰度大。A A+,IP(A)B B+,IP(B)实际上也是出于从稳定性考虑的结果。,2、键的活泼性 越活泼,越易断 CI CBr CCl CF,半径增大,电负性减小,键强度减弱。,二、离子碎裂反应 由McLatterty总结出来的,它是一种表象方法,大部分与事实符合,但并不严格表示真实的反应机理。由于气相中的离子单分
7、子分解由内能控制,在高内能的情况下,会有多种复杂的过程发生,尤其是涉及到一些复杂的重排过程。奇电子离子:OE+,电子数为奇数的离子,分子离子一般为奇电子离子。偶电子离子:EE+,电子数为偶数的离子,碎片离子或化学电离的准分子离子。1、基本类型 键断裂电离发生在键上,随后发生断裂反应,烃类中常发生。R1CH2R2 R1+CH2R2 R1+CH2R2+R1YR2 R1+YR2 R1+YR2+(Y=Si,S)例:,自由基引发的断裂(断裂)自由基引起的键的断裂 动力:游离基中心强烈的成对倾向。特点:电荷保留。自由基位置十分重要,杂原子或多重键或芳香烃位置。,饱和中心:,不饱和中心:,发生断裂的化合物类
8、型:羰基、醇、醚、胺、烯、芳烷等发生断裂的难易顺序:N S,O,Cl,Br H,举例,荷基异位离子(Distonic ion),最大烷基丢失 当有几种可能失去烷基时,优先考虑最大烷基失去的反应。,1-甲基,1-乙基-正丙醇,二乙胺,电荷中心诱导的断裂(i断裂)正电荷中心对一对电子的吸引导致的断裂,电荷转移。,奇电子离子,偶电子离子,倾向:X O,S N,C 与电负性有关,与相比,总体上 i不利,电荷定域对产物分布的影响,异丙基对电荷的稳定作用所致。,化学电离产生的离子,麻黄素的电子轰击质谱和化学电离质谱,EI谱图,CI谱图,环已烯的开环分解,2、环状结构的分解 开环,至少断裂两个键,连续反应,
9、可以看成是基本断裂类型的组合。环已烷的开环分解,逆Diels-Alder缩合,简写为RAD。,四元环开环分解,五元环开环分解,杂环开环分解,3、氢重排 重排:伴随着旧键断裂,新键生成,在焓上有利,在熵上不利。氢重排:常见,H的体积小,空间障碍小。结构特征重排:有些氢重排与结构的对应非常明确,如 McLafferty重排。随机重排:高能电离,常见于 键电离场合。氢重排可用氘同位素标记方法。质谱中氢重排与光化学反应有一定的相似性。重排的驱动是自由基对氢原子的吸引或电荷中心的诱导作用。,特点:不饱和中心。-H(六元环)转移,键断裂。电荷保留占主导地位(有例外)。,游离基中心引发的氢重排 a)McLa
10、fferty(麦氏重排)-H 重排到不饱和基团上并伴随着发生键断裂,产生奇电子离子。,能够发生麦氏重排的有机物种类:醛、酮、酯、酸、酰胺、碳酸酯、磷酸酯、亚硫酸酯、亚胺、肟、腙、烯、炔和烷基苯。,醛,b)饱和杂原子上的氢重排 氢重排到饱和杂原子上并伴随着邻键的断裂。,特点:环的大小不固定。断键位置与重排的H相邻的键断裂。电荷转移往往为主。,电荷中心引发的重排,i 诱导的断裂,直接键断裂。,远电荷处的氢重排。,双氢重排(麦氏+1重排),可以解释酯及类似物失去27、41和55碎片过程。,特殊氢重排 a)连串重排,奇电子重排离子的进一步重排。,b)随机重排,多次重排步骤,氧对氢的接受能力较强所致。,
11、缺少反应中心 临界能较高,各种可能的反应都会发生 结构关系差 产生低质量离子系列 化合物种类:烃、卤代烃、氰基、硝基烷烃 有时会出现骨架随机重排。,氢重排的影因素a)氢的不稳定性 游离基引发的重排反应中,不成对电子的转移,自由基上的稳定性影响重排的竞争性。易于发生氢重排的位置:支化度较高的碳原子上,与不饱和键相邻的碳原子上的氢(苄基)或电负性原子上的氢(如氧上)。,位置的接受能力 质子亲合势高的基团有利于接受氢。含N大于S,O。醚、酮、酯 酸、醛、醇 烯、芳烃。,c)产物的稳定性,稳定的偶电子离子,4、骨架重排置换重排(rd)无H迁移发生;三、四、五、六元环系列;直链烃易发生rd(链的支化对r
12、d是不利的),断裂能量仅低于仲碳键断裂。,消去重排(re),4.5 常见各类化合物的质谱特征,按有机化合物的分类方法进行,不完全相同。单官能团:烃、醇、醛和酮、酯、酸和酐类、醚(硫醇和硫醚)、胺、酰胺、氰、脂肪卤化物等。多官能团:电荷定位能力,协同效应等。,单官能团多官能团,一、烃类 随机重排倾向,氢原子和碳骨架都可能(饱和烃中最为严重)饱和脂肪烃类 电离势 CC 11.5eV,CH 12eV,电离发生在碳碳键上。特点:直链烃,有M+存在,但随着链的增加,M+减小 支链烃,M+很小(由支链处容易断裂所致)低质量区,CnH2n+1+,主系列 m/z 29,43,57,71,85 最大在43或57
13、。CnH2n-1+,CnH2n+次要系列,二次断裂和重排产生的系列。,不饱和脂肪烃类 由于存在双键,电离势下降,能稳定M+,有显著的M+。特点:CnH2n-1+和CnH2n+系列离子。烯丙基断裂 RCH2CHCHR R+CH2=CHR CH2CH=CHR 双键发生转移,不能区分顺反和位置异构体。CnH2n+可能是麦氏重排产物,+,+,+,饱和脂环烃类 M+比相应的非环烷烃的强,因为断一个键不产生碎片离子。开环断裂生成m/z28 和M C2H4+特征离子。,不饱和脂环烃类 M+较强,谱图与脂环烃和烯烃质谱类似,异构体质谱相近。特征是RAD反应和M-CH3+。,RAD,芳香烃 M+强度较大,芳环上
14、电子 的共轭作用,对稳定电荷有好处,容易产生双电荷或多电荷离子。特点:苯环开环产生特征离子,m/z39(C3H3+),m.z50,51,52(C4H4+),m/z63,64,65(C5H5+),66。C6H5(CH2)n+,链上断裂裂的产物,苄基断裂最显著。,麦氏重排(R足够长时),当碳上有分枝时,二、醇类 电离发生在氧的非键轨道上,从电离角度M+应稳定存在,但由于离子化的羟 基引发的分解更快,因此M+很小。醇类易发生离子-分子反应,生成M+H+或M-H+,从而补偿M+很弱的不足,有利于判断分子量。热催化产生M-18+,M-20+,M-2+的峰,需注意辨认。饱和脂肪醇类 特点:主要是断裂,然后
15、是I二次断裂(伴随着重排)。,脱水,失水后的醇酷似相应烯烃的质谱图,产生CnH2n+1和 CnH2n+系列离子。,脂环醇类特点:主要是断裂 然后是i二次断裂(伴随着重排)。,脱水,3,4,5位置:,酚类 M+很强 失去CO和HCO离子,如有苄基碳,M-H+较强,邻位效应,三、醛类和酮类 电离势较低,一般在,失去羰基氧的弧对电子,M+较强,芳香醛和酮更为明显。脂肪醛和酮类 特征:断裂,麦氏重排。,脂肪醛和酮类特征:断裂,麦氏重排。,脂环酮,特征:开环断裂,i,氢重排,芳香酮,分子离子很强,-断裂,m/z105,苯酰离子 i-断裂 m/z77,特殊的重排现象 葸醌,四、酯类 M+较强,能观察到显著
16、的分子离子峰,芳香酯分子离子峰很强。特征:和 i 断裂同时发生。麦氏重排,产生强的奇电子离子峰。双氢重排,麦氏+1重排。,甲酯,十八酸酯,乙酯和高级酯 RCOOR:当R大于丁基时,M+很小。,芳香酯 分子离子很强,邻位效应,苯甲酰特征离子,五、酸和酐类 短链的酸类有M+,长链(n 6)正链烷酸,碳数增加,分子离子减弱。多羧酸分子离子很弱或不存在,有M-1+离子,与醇相似。,脂肪酸 麦氏重排,,i断裂,CnH2nCOOH+离子系列,m/z73,87,101,115,129,可能来自于置换重排。二羧酸常发生CO2的失去反应,也可能存在热脱羧。,芳香酸 分子离子较强。失去OH,再失去CO。邻位效应,
17、M-H2O+,再接着失去CO。酸酐 脂肪酸酐,M+很小;不饱和酸酐,M+存在。,琥珀酐,六、醚类 醚类有较强的M+,有时还有M+1+或 M-1+,可用于判断分子量。,脂肪醚 M+有一定强度。分子离子较强。,i 断裂相当,氧对电子有较高的诱导作用。失去OH,再失去CO。CnH2n+1O+(m/z31,45,59,),强度不大。,脂环醚和不饱和醚 M+有一定强度。分子离子较强。2,6,6-三甲基-2-乙烯基四氢吡喃,芳香醚 苯甲醚:MCH3+MCH3CO+,MCH2+MOCH3+。乙基或更高级烷基芳香醚:消去CnH2n,给出特征的奇电子离子。重排:苄基醚给出:C6H5CH2OH+,C6H5CH2(
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