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1、第5章 质谱,本章要求：介绍质谱的工作原理及结构，有机质谱原理。重点介绍离子裂分途径及各类化合物的裂解规律，质谱与化合物结构的关系。（质谱法在有机化合物结构鉴定中灵敏度高，可以给出化合物的分子量和分子式） 1、了解质谱的基本原理 2、掌握判断分子离子峰的原则，并能根据同位素的强度或高分辨质谱仪给出的离子峰推测分子式，掌握质谱的解析方法。,3、掌握质谱碎裂机制，影响质谱碎裂反应的因素， MS在化合物结构解析中的应用。4、了解质谱解析程序，并能根据质谱推测常见化合物的结构课时安排： 5学时,日本科学家田中耕一(Koichi Tanaka)1959年出生于日本富山县首府富山市，1983年获日本东北大
2、学学士学位，现任职于京都市岛津制作所，为该公司研发工程师，分析测量事业部生命科学商务中心、生命科学研究所主任。他对化学的贡献类似于约翰芬恩，因此也得到了14的奖金。,美国科学家约翰芬恩1917年出生于美国纽约市，1940年获耶鲁大学化学博士学位，1967年到1987年间任该大学教授，1987年起被聘为该大学名誉教授，自1994年起任弗吉尼亚联邦大学教授。他因为“发明了对生物大分子进行确认和结构分析的方法”和“发明了对生物大分子的质谱分析法”而获得诺贝尔化学奖14的奖金。,瑞士科学家库尔特维特里希1938年生于瑞士阿尔贝格，1964年获瑞士巴塞尔大学无机化学博士学位，从1980年起担任瑞士苏黎世
3、联邦高等理工学校的分子生物物理学教授，还任美国加利福尼亚州拉霍亚市斯克里普斯研究所客座教授。他因“发明了利用核磁共振技术测定溶液中生物大分子三维结构的方法”而获得2002年诺贝尔化学奖一半的奖金。,2002年诺贝尔化学奖获得者,质谱发展历史,1897年，英国剑桥Cavendish实验室的Thomson研制，发现了氖的同位素，分辨率10。1919年，Aston,速度聚焦质谱仪，测出氖同位素的丰度比为10：1，分辨率130。1934年，双聚焦质谱仪，大大提高了分辨率。二战期间，用于美国原子弹制造计划（研究235U）。1943年，进入民用，石油分析。50年代，出现新型质量分析器，四极滤质器（1953
4、），脉冲飞行时间分析器（1955），及新的离子化手段，火花离子源、二次离子源，气质联用。60年代以后，新的离子化方法：FI，FD，CI，激光离子化，ICP，FAB，ESI，复杂的质谱仪推出，离子探针，三级四极杆，四极杆飞行时间，磁场四极，磁场飞行时间，离子回旋共振等，液质联用。1974年等离子体质谱，1981年快原子轰击质谱，1988年，电喷雾电离质谱，90年代以后，EPI-MS，MALDI-MS用于生物间非共价键作用研究，联用技术发展迅速。,5.1质谱基本知识,质谱原理仪器质谱图质谱中的各种离子,5.1.1质谱的基本原理,一、定义： 质谱（mass spectrum）,就是把化合物分子用一定
5、方式裂解后生成的各种离子，按其质量大小排列而成的图谱。 二、基本原理:（其不是吸收光谱，而是以分子吸收辐射能所引起的能量状态的跃迁为基础的） 样品分子在气态下被电离，并经裂解生成各种质量不同的正离子，这些正离子在高压电场中受到加速，在磁场中运动方向发生偏转，然后依次通过收集狭缝进入放大器，产生信号。信号的强度与达到放大器的正离子数目成正比。然后由记录仪记录下这些信号，既构成了样品的质谱,见 P216（图5-1） 质谱是化合物分子在真空条件下受电子流的“轰击”或强电场等其它方法的作用，电离成离子，同时发生某些化学键的有规律的断裂，生成具有不同质量的带正电荷的离子，这些离子按质荷比，mz(离子质量
6、m与其所带电荷数z之比)的大小被收集并记录的谱。质谱图记录了它电离后被收集到的各种不同质荷比的离子及其相对丰度(或强度)。,在电离室生成的质量为m、电荷为z的正电荷离子经加速电压V的加速，离子的速度为，其动能为：m2/2zV 离子受到的磁场作用力Bz(沿半径指向圆心)与离子运动的离心力m2/r大小相等，方向相反 : m2/r Bz m/z B2r2/2V r=1/B(2mV/z) 1/2,三、质谱仪,四、质谱仪的构造和功能,离子源,电子轰击源（Electro-Impact source, EI）化学电离源（Chemical Ionization,CI）场致电离源（Field Ionizatio
7、n, FI）和场解吸电离源（Field Desorption, FD）液相色谱质谱联机的接口粒子束（Particle Beam, PB）热束（Thermo Beam）大气压电离源（Atmospheric Pressure ）电喷雾电离（Electro Spary Ionization, ESI）大气压化学电离（Atmospheric Pressure Chemical Ionization, APCI）基质辅助激光解析电离（matrix-assisted laser desorption-ionization,MALDI）快原子轰击（Fast atom bombardment,FAB）,质量分
8、析器,扇形磁场四级分析器离子阱飞行时间质量分析器傅立叶变换离子回旋共振,1、灵敏度；标志仪器对样品在量的方面的检测能力。与仪器的电离效率、检测效率、被检测的样品等多种因素有关。 2、分辨率：仪器对质量非常接近的两种离子的分离能力。 R=m1（或m2）/m R-分辨率 m= m2 m1（两种相邻离子的质量差） 3、质量范围：质谱仪所能测量的最大m/Z值。,5.1.2 性能指标,5.1.3 质谱图,质谱术语,质荷比（mass-to-charge ratio , m/z ）： 通常情况下，z =1 峰的强度或相对丰度（Relative Abundance）： 相对于最强峰的强度 基峰：base pe
9、ak 质谱图中的最强峰， RA=100,5.1.4 质谱的离子类型,EI质谱中的离子包括分子离子、碎片离子、同位素离子、亚稳离子、重排离子和多电荷离子等,1、分子离子,化合物失去一个或多个电子形成的离子 在裂解反应式中，分子离子中自由基或电荷中心的形成与分子化学键电子的电离能有关。 电离能（I）越低的键电子越易被电子束逐出：,分子离子的判别 必须是化合物谱图中质量最高的离子必须是奇电子离子、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,奇电子离子和偶电子离子(分别以OE+.和EE+表示)：带有末配对电子的离子为奇电子离子，如M+.、A+.、B+；无未配对电子的离子为偶电
10、子离子，如D+、C+、E+；分子离子是奇电子离子。在质谱解析中，奇电子离子较为重要。,奇电子离子 （OE）,a.带有未成对电子的离子b.计算不饱和度U，如果U为整数，则为奇电子离子（OE），为半整数时为偶电子离子（EE）C.氮规则: 若一个化合物含有偶数个N原子，其分子离子的质量数一定是偶数，若含有奇数个N原子，分子离子的质量数为奇数。,2、碎片离子,分子离子碎裂产生的离子，Fragment ion广义的碎片离子为由分子离子裂解产生的所有离子。母离子与子离子：任何一个离子(分子离子或碎片离子)进一步裂解生成质荷比较小的离子，前者称为后者的母离子(或前体离子)，后者称为前者的子离子。,3、同位素
11、离子,同位素离子簇峰(1)同位素丰度在质谱分析中的应用 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)n2,4、亚稳离子（metastable ion）,从离子源出口到达检测器之前产生并记录下来的离子称亚稳离子。离子从离子源到达检测器所需时间约10-5秒(随仪器及实验条件而变)，寿命大于10-5秒的稳定离子足以到达检测器，而寿命小于10-5秒的离子可能裂解(M1+ M
12、2+ +中性碎片)。在质量分析器之前裂解产生的M2+因其动能小于离子源生成的M2+，在磁分析器中的偏转不同，以低强度、于表观质量m*(跨23个质量单位)处被记录下来，其mz一般不为整数。m*与m1、m2(分别为M1，M2离子的质量)之间的关系为：m* = m 22/ m1表观质量数M* M*=M22/M1,在质谱解析中，可利用m*来确定m1与m2之间的“母子”关系。例如：苯乙酮的质谱图中出现mz 134、105、77、56.47等离子蜂，56.47为亚稳离子峰。由56.47772105可知，mz77离子是由mz105离子裂解，丢失CO产生的。,5、重排离子,经过重排反应产生的离子，其结构并非原
13、分子中所有。在重排反应中，化学键的断裂和生成同时发生，并丢失中性分子或碎片。,6、多电荷离子,一个分子丢失一个以上电子所形成的离子称多电荷离子。在质谱图中，双电荷离子出现在单电荷离子的12质量处。,7.准分子离子,采用CI电离法，常得到比分子量多(或少)1质量单位的离子称准分子离子，如(MH)+，(M - H)+。在醚类化合物的质谱图中出现的M + 1 峰为(MH)+。,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 2Stevenson规则 3质子亲合能(PA)4最大烷基丢失5中性产物的稳定性,1产物离子的稳定性,反应产生的离子稳定性
14、越高，其丰度越大,2Stevenson规则,3质子亲合能(PA),4最大烷基丢失,5中性产物的稳定性,5.3 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:单电子转移发生的裂解反应 2异裂：双电子转移发生的裂解反应 3半异裂：,离子的开裂,简单断裂的规律,含杂原子化合物 易发生断裂碳碳不饱和键相邻的CC键易断裂。 芳环相邻的CC键易断裂。（芳杂环的情况也类似） 碳链分支处易发生断裂。饱和环易在环与侧链连接处断开 当分支处由几种断裂可能时，大基团断裂优先产生电中性小分子的开裂优先 空间位阻:二异丙基苯的三个异构体，邻位分子离子峰强度最低，对位最高,1.自由基中心引发的 断裂反应
15、,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,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），正电荷对一对电子的吸引。,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
16、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.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元环过渡态的重排：,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,5.4.1 烃类 1饱和脂肪烃 1) 直链烃 直链烃显示弱的分子离子峰，但具有典型的CnH2n+1+系列和CnH2n-1+系列离子峰，含3个或4个C的离子丰度最大
17、2) 支链烃:分子离子峰丰度降低,烷烃： “烷烃系列”,分子离子峰弱，峰簇间距14，各峰簇顶端形成一平滑曲线峰：CnH2n+1，CnH2n，CnH2n-1（29，43，57，71）,分子离子峰降低，（29，43，57，71）,烯烃和炔烃,烯烃：烯丙基断裂“烯系列” （27,41,55,6941+14n）环烯烃：逆D-A开裂炔烃：-开裂, 生成M-C3H3离子,容易发生断裂，称烯丙基断裂。,2不饱和脂肪链烃 链状烯烃分子中的双键能引起 CnH2n-1+及CnH2n+系列离子丰度增大。,环烷烃：分子离子峰强度增加，通常在环的支链处断开，特征是失去乙烯（或取代乙烯）。CnH2n-1峰和CnH2n-2
18、峰,环状不饱和脂肪烃：符合条件发生RDA，支链碎裂反应类似链烃,分子离子峰强，峰：39,65,77,91, 105,119麦氏重排，随正构烷基取代链越长，m/z 91丰度越大。,芳 烃,醇和酚,分子离子峰往往观察不到, M-H有时可以观察到 饱和醇羟基的CC键易发生断裂，产生CnH2n+1O+特征系列离子峰 开链伯醇还可能发生麦氏重排，同时脱水和脱烯。脱水反应，给出M-18峰，1，3和1，4脱水。脱水后，谱图与烯烃十分相似，区别是醇有m/z31，45，59，73的碎片。伯醇的m/z31较强。,2脂环醇,环己醇的质谱图522表明，除了脱水反应之外，环己醇裂解还经历包括H转移的复杂过程,5.4.3
19、 酚类,酚类的分子离子峰很强，往往是基峰。酚易失去CO和CHO形成M28和M29的离子峰。邻位效应 ：邻甲苯酚还可失去水形成M-18离子峰,5.4.4 醚类,醚易发生断裂形眻离子， 并进一步重排的反应 .离子特征是CnH2n+1O+（如：m/z 31、45、59）,醚还可以进行由电荷中心引发的i断裂，生成m/z 29、43、57、71等烷基离子的反应麦氏重排,醛、酮类,直链醛、酮显示有CnH2n1CO为通式的特征离子系列峰，如m/z 29、43、57 等,具有H的醛、酮可发生麦氏重排反应,环酮的质谱图中可看到明显的分子离子峰。环己酮的裂解可产生M-CO、M-CHO离子，并经历H转移等较为复杂的
20、过程，产生乙烯酮离子,5.4.6 羧酸,1脂肪羧酸的分子离子峰很弱，m/z 60是丁酸以上碳原子上没有支链的脂肪羧酸最特征的离子峰，由麦氏重排裂解产生,低级脂肪酸还常有M17（失去OH）、M18（失去H2O）、M-45(失去CO2H)的离子峰。,2芳香羧酸的 峰相当强，显著特征是有M17、M45离子峰。邻位取代的芳香羧酸产生占优势的M18失水离子峰。,酯,羧酸酯进行裂解所产生的离子常成为质谱图中的强峰（有时为基峰）,酯也可以进行以下H转移、断裂的麦氏重排,双氢重排：比麦氏重排多一个氢,5.4.9 酰胺,含4个C以上的伯酰胺主要发生麦氏重排反应,2不可能发生麦氏重排的酰胺主要发生或N的键断裂，生
21、成（m/z 44）离子的反应：,5.4.10 胺类,1链状脂肪胺发生断裂形成胺鎓离子，并以失去较大烷基为主要反应，直链脂肪族伯胺发生断裂生成的m/z 30离子 2.支链脂肪伯胺类进行裂解反应所产生的m/z 44、58等离子，符合通式CnH2n+2N+,3、芳胺的分子离子峰往往是最强峰，烷基苯胺也可发生断裂反应,硝基化合物,腈类,硫醇和硫醚类,卤代物 RX,55 有机质谱的解析及应用,一、谱图解析步骤：1、由分子离子峰获取相对分子质量及元素组成信息： a、根据分子离子峰的m/Z值确定相对分子质量 b、是否含有奇数氮原子 c、含杂原子的情况 d、对于化学结构不是很复杂的普通有机物，根据其分子离子的
22、质量及可能的元素组成，可以计算分子的不饱和度及推测分子式2、根据分子离子峰和附近碎片离子峰的m/Z差值推测被测物的类别。见P239 表5-3,3、碎片离子的质量及所符合的化学通式，推测离子可能对应的特征结构片断或官能团见 P242 表5-4 P244 表5-54、结合相对分子质量、不饱和度和碎片离子结构及官能团等信息，合并可能的结构单元，搭建完整的分子结构。5、核对主要碎片离子6、结合其他分析方法最终确定化合物的结构7、质谱图的计算机数据库检索,简单断裂的规律,含杂原子化合物 易发生断裂碳碳不饱和键相邻的CC键易断裂。 芳环相邻的CC键易断裂。（芳杂环的情况也类似） 碳链分支处易发生断裂。饱和环易在环与侧链连接处断开 当分支处由几种断裂可能时，大基团断裂优先产生电中性小分子的开裂优先 空间位阻:二异丙基苯的三个异构体，邻位分子离子峰强度最低，对位最高,二 、质谱应用示例 P246,作业,1、什么是Stevenson规则，举例加以解释。2、自由基中心引发的断裂与电荷引发的i断裂反应有什么不同，举例说明。3、什么是麦氏（McLafferty）重排反应。4、二溴乙烷质谱的分子离子峰（M）与M+2、M+4的相对强度是多少？5、什么是氮规则，含奇数个氮原子有机化合物，其分子离子的质荷比值为奇数还是偶数？,
