谱的原理和图谱的分析.ppt

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1、1、定义 化合物分子在真空条件下受电子流的“轰击”或强电场等其他方法的作用，电离成离子，同时发生某些化学键有规律的断裂，生成具有不同质量的带正电荷的离子，这些离子按质荷比（m/z）的大小被收集并记录的图谱。,质谱,一、质谱的基本知识,计算机数据处理系统,真空系统,加速区,进样系统,离子源,质量分析器,检测器,2、质谱计框图,单聚焦质量分析器,双聚焦质谱计:静电分析器+磁分析器静电分析器由两个同心圆板组成，两圆板之间保持一定的电位差(E)。,加速后的离子通过静电场和磁场后,达到能量聚焦、方向聚焦和质量色散的目的，使仪器的分辨率大大提高。,故在两峰质量数较小时，要求仪器分辨率越大。,静电分析器加在

2、磁分析器之前。加速后的离子在静电分析器中,受到外斥内吸的电场力(zE)的作用,迫使离子作弧形运动。,静电分析器只允许具有特定能量的离子通过,达到能量聚焦,提高仪器分辨率。V:加速电压.E:电位差.v:速度.m:质量.,结合,，导出,3、基本原理,质谱仪示意图,离子在质谱仪中被电场加速。加速后其动能和位能相等,即：,m:离子质量；v:离子速度；z:离子电荷；V:加速电压,被加速的离子进入磁分析器时，磁场再对离子进行作用，让每一个离子按一定的弯曲轨道继续前进。其行进轨道的曲率半径决定于各离子的质量和所带电荷的比值m/z。离子动能产生的离心力(mv2/R)与由磁场产生的向心力(Hzv)相等：,R:曲

3、率半径H:磁场强度,质谱的基本方程,4、离子化的方法（1）电子轰击（electron impact,EI）轰击电压 50-70eV 有机分子的电离电位一般为7-15eV M+e M+(分子离子)+2e 过剩的能量使分子离子进一步裂解 有些化合物的分子离子不出现或很弱,（2）化学电离（chemical ionization,CI）高能电子束与小分子反应气(如甲烷、丙烷等）作用，使其电离生成初级离子，初级离子再与样品分子反应得到准分子离子。,（3）场致离（FI）和场解吸（FD）场致离（field ionization,FI）气态样品分子在在强电场（107-108V/cm）的作用下发生电离。要求样品

4、分子处于气态,灵敏度不高,应用逐渐减少.场解吸（field desorption,FD）样品不需汽化,将样品吸附在作为场离子发射体的金属丝上,送入离子源,然后通以微弱电流,使样品分子从发射体上解吸下来,并扩散至高场强的场发射区,进行离子化.,适用于难汽化、热不稳定的样品.如:糖类.FI、FD分子离子峰较强，碎片离子峰较少。,(4)快原子轰击(fast atom bombardment,FAB)用高能量的快速Ar原子束轰击样品分子(用液体基质负载样品并涂敷在靶上，常用基质有甘油、间硝基苄醇、二乙醇胺等),使之离子化。FAB灵敏度高，适用于对热不稳定、极性强的分子，如肽、蛋白质、金属有机物等。样品

5、分子常以质子化的M+H+离子出现 基质分子会产生干扰峰。,（5）电喷雾电离（ESI）样品溶液在电场的作用下形成带高度电荷的雾状小液滴，在向质量分析器移动的过程中，液滴因溶剂不断挥发而缩小，导致表面电荷密度不断增大，当电荷之间的排斥力足以克服液滴的表面张力时，液滴发生裂分，如此反复进行，最后得到带单电荷或多电荷的离子。,使热敏感或不挥发的化合物由固相直接得到离子。待测物质的溶液与基质的溶液混合后蒸发，使分析物与基质成为晶体或半晶体，用一定波长的脉冲式激光进行照射时，基质分子能有效的吸收激光的能量，使基质分子和样品分子进入气相并得到电离。,MALDI适用于生物大分子，如肽类，核酸类化合物。可得到分

6、子离子峰，无明显碎片峰。此电离方式特别适合于飞行时间质谱计。,（6）基质辅助激光解析电离(MALDI)Matrix-Assisted Laser Desorption Ionization,脉冲式激光,质谱图由横坐标、纵坐标和棒线组成。横坐标标明离子质荷比（m/z）的数值，纵坐标标明各峰的相对强度，棒线代表质荷比的离子。图谱中最强的一个峰称为基峰，将它的强度定为100。,丁酮的质谱图,5、质谱图的组成,6、质谱术语基峰：离子强度最大的峰，规定其相对强度（RI）或相对丰度（RA）为100。精确质量：精确质量的计算基于天然丰度最大的同位素的精确原子量。如：1H 1.007825 12C 12.00

7、0000 14N 14.003074 16O 15.994915 CO、N2、C2H4 的精确质量依次为：27.9949、28.0062、28.0313,7、质谱中的各种离子,（1）分子离子：分子被电子束轰击失去一个电子形成的离子。分子离子用 M+表示，是一个游离基离子。在质谱图上，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。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。,（4）重排离子经重排裂解产生的离子称为

8、重排离子。其结构并非原来分子的结构单元。,（5）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。前者称为母离子，后者称为子离子。,（6）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。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+,（7）多电荷离子失掉两个以上电子的离子是多电荷离子。,（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：(M+H)+、(M-H)+不含未配对电子，结构上比较稳定。,（9）亚稳离子从离子源出口到达检测器之前裂解并被记录的离子称亚稳离子，其动能小于离子源生成

9、的离子，以低强度于表观质量m*（跨23质量单位）处记录下来，其m/z一般不为整数。m*=m22/m1在质谱中，m*可提供前体离子和子离子之间的关系。,离子在离子源的运动时间约106s数量级,寿命小于 106s的离子在离子源内进一步裂解。离子从离子源到达检测器的时间约为105s数量级，离子寿命大于105s，足以到达检测器。寿命在106s到 105s的离子可产生亚稳离子。,二、分子离子与分子式,（1）分子离子峰的识别 在质谱图中，分子离子峰应是最高质荷比的离子峰。（同位素离子及准分子离子峰除外）。分子离子峰是奇电子离子峰。分子离子能合理地丢失碎片（自由基或中性分子）。符合氮律：当化合物不含氮或含偶

10、数个氮时，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。,（2）分子离子峰的相对强度（RI）,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。直链醛、酮、酸、酯、酰胺、卤化物等通常显示 分子离子峰。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。,（3）分子式的推导 低分辨质谱数据（同位素相对丰度）高分辨质谱数据（分子量的尾数）如何判断分子式的合理性 该式的式量等于分子量；符合氮律；不饱和度要合理。,利用低分辨质谱数据，推导分子式：同位素相对丰度计算法、查 Beynon 表法,含硫的样品 32S:33S:3

11、4S=100:0.8:4.4,对于C,H,N,O组成的化合物，其通式：CxHyNzOw,同位素相对丰度的计算法：,若某一元素有两种同位素，在某化合物中含有 m 个该元素的原子，则分子离子同位素峰簇的各峰的相对丰度可用二项式(a+b)m 展开式的系数推算,若化合物含有 i 种元素，它们都有非单一的同位素组成，总的同位素峰簇各峰间的强度可用下式表示：(a1+b1)m1(a2+b2)m2(ai+bi)mi,含重同位素（如 Cl,Br）的样品,35Cl:37Cl=100:32.5 3:1;79Br:81Br=100:981:1,分子中含1 Cl，(a+b)1,M:M+23:1,分子中含2 Cl，(a+

12、b)2,M:M+2:M+49:6:1,分子中含1 Br，(a+b)1,M:M+21:1,分子中含2 Br，(a+b)2,M:M+2:M+41:2:1,分子中含1Cl 和1Br(a1+b1)(a2+b2),M:M+2:M+43:4:1(3a+b)(a+b)=3a2+4ab+b2,查Beynon表法,C H N O m/z M+1 M+2,理论计算值，会出现不符合N律和不符合UN的一般规律。,例如：已知某化合物的质谱图中，M为166；M+1为10.15，M+2为1.1。按Beynon表可以查到分子量为166的一些分子式为：M+1 M+2 M+1 M+2 C8H8NO3 9.27 0.98 C9H1

13、0O3 10.00 1.05C8H10N2O2 9.65 0.82 C9H12NO2 10.38 0.89C8H12N3O 10.02 0.65 C9H14N2O 10.75 0.72C8H14N4 10.40 0.49 C9H2N4 11.28 0.58由上述数据可以看出，C9H10O3 最符合上述条件。,高分辨质谱法,精确质量，与分辨率有关,试误法 精确质量的尾数=0.007825y+0.003074z-0.005085w查表法 Beynon and Lederbey 制作了高分辨质谱法数据表，可查出对应于某精确质量的分子式。计算机处理,H N O,RI(M+1)/RI(M)100=1.1

14、x+0.37z+0.8SC数目=(9.80.8)/1.18,RI(M+2)/RI(M)100=（1.1x）2/200+0.2w+4.4S 5.1/100100=4.4S S=1(含1个硫）,H数目=15432128=26 不合理 分子式为C8H10OS,m/z 154 155 156 157 RI 100 9.8 5.1 0.5,m/z:85(49),86(3.2),87(0.11),m/z:164 UN=0,C5H9BrO UN=1,例：化合物的质谱图如下，推导其分子式,RI(M+1)/RI(M)100=1.1x+0.37z+0.8S,x=3.2/49100/1.16x=6,y=13x=5,

15、w=1,y=9,8512=7,7个及以下C,RI(M+2)/RI(M)100=(1.1x)2/200+0.2w=0.11/491000.22 w=0，故C6H13Br合理。,例：化合物 A 的质谱数据及图如下，推导其分子式。,图中高质荷比区 m/z 73,74设 m/z 73为 M+.，与相邻强度较大的碎片离子58之间（15）为合理丢失峰(.CH3)，可认为m/z 73为分子离子峰，74为（M+1）峰。因 M+.的 m/z 为奇数，说明 A 中含有奇数个氮。,通过计算可知，分子中碳的数目 5(73-14)/12）.若为4，则731412411，可能的分子式为 C4H11N，0。该式组成合理，符

16、合氮律。C3H7NO,1。应有M+2峰，所以不可能,例：化合物 B 的质谱数据及图如下，推导其分子式。,解：m/z 97 为分子离子峰，由于 m/z 97与m/z 98的相对强度之比约为2：1，既不符合C,H,N,O,S化合物的同位素相对丰度比，又 不符合 Cl,Br原子组成的同位素峰簇的相对丰度比，故 m/z 97可能不是分子离子峰。设 m/z 98,为分子离子峰，与 m/z 71，70关系合理，可认为 m/z 98 为 M+.,m/z 97 为(M1)峰。化合物不含氮或偶数氮。由表中数据可知，m/z 98(56)M+.,99(7.6)(M+1),100(2.4)(M+2),则 RI(M+1

17、)/RI(M)100=13.6，RI(M+2)/RI(M)100=4.3 由(M+2)相对强度为 4.3 判断化合物中含有一个硫原子，983266，66125.5，说明碳原子数目只能小于等于 5；若为 5，661256，可能分子式为 C5H6S，3是合理的。若为4，6612418，此时分子式假设为 C4H18S，4，故不合理；假设分子中含有一个氧，此时分子式为 C4H2OS，4 也是合理的。所以化合物 B 的分子式可能为：C5H6S 或 C4H2OS,三、有机质谱中的裂解反应,裂解反应是指离子（分子离子或碎片离子）进一步裂解生成质荷比较小的碎片离子的反应。,有机质谱裂解反应机理电荷自由基定位理

18、论：分子离子中电荷或自由基定位在分子的某个特定位置上（应首先确定这个特定位置），然后以一个电子或电子对转移来引发裂解。单电子转移引发的裂解反应叫均裂。双电子转移引发的裂解反应叫异裂。,均裂,异裂,分子离子化时，自由基或电荷位置优先发生在电离电位最低的电子上。(失去电子的容易度)电离电位I由小到大排列：非键n电子（O,S,N等)共轭电子非共轭电子电子 同一周期：从左到右，I值增大，如NOF 同一族：从上到下，I值减小，如SeSO,1、自由基位置引发的裂解反应：-裂解含C-Y或C=Y(Y=O,N,S)基团的 化合物，在自由基位置引发的在-位裂解的反应（均裂）。产生自由基醇、醚、硫醇、硫醚、胺类、醛

19、、酮、酯等。,杂原子对正离子具有稳定作用：NS,O,2、电荷位置引发的裂解反应：i-断裂 正电荷诱导、吸引一对电子（成键电子）而发生分裂，正电荷移位（异裂）。产生正离子 分为奇电子离子型和偶电子离子型。吸电子顺序：XS,O N,C,i-碎裂,OE+.型：,EE型：,.,*i-碎裂一般都产生一个碳正离子。*对于没有自由基的偶电子离子，只可能发生 i-碎裂。,-断裂与i-断裂是两种相互竞争的反应。N 一般进行-断裂；卤素则易进行 i-断裂,3、-断裂当化合物不含杂原子、双键时，只能发生-断裂。,生成的某些离子的原子排列并不保持原来分子结构的关系，发生了原子或基团的重排。伴随着一个以上原化学键的断裂

20、和新键的形成。质量奇偶不变，失去中性分子。,4、自由基位置引发的重排反应(失去中性分子),常见的有麦克拉夫悌(Mclafferty)重排开裂(麦氏重排)和逆Diels-Alder 开裂,麦氏重排：,具有-氢原子的側链苯、烯烃、环氧化合物、醛、酮等经过六元环状过渡态使-H转移到带有正电荷的原子上，同时在、原子间发生裂解，这种重排称为麦克拉夫悌重排裂解。,具有环己烯结构类型的化合物可发生此类裂解，一般形成一个共轭二烯正离子和一个烯烃中性碎片：,逆Diels-Alder 开裂：,四、有机化合物的一般裂解规律,1.偶电子规律 偶电子离子裂解，一般只能生成偶电子离子。,2、裂解与分子结构的关系(a)有利

21、于稳定碳正离子的形成,(b)有利于共轭体系的形成,(c)当分子中存在杂原子时，裂解常发生于邻近杂原子的 C-C 键上,(d)有利于形成稳定的中性小分子(象H2O，CO，NH3，ROH等),3.烃类化合物的裂解 优先失去大基团，优先生成稳定的正碳离子。,4.含杂原子化合物的裂解（羰基化合物除外）,胺、醇、醚、硫醇、硫醚类化合物，主要是自由基位置引发的CC 间的 键裂解（称-断裂，正电荷在杂原子上）和正电荷诱导的碳杂原子之间 键的异裂（称 i-异裂），正电荷发生位移。,5.羰基化合物的裂解 自由基引发的均裂及正电荷诱导的异裂。,6.自由基引发或正电荷诱导，经过四、五、六元环过渡氢的重排,五、各类有

22、机化合物的质谱,5.1 烃类化合物的质谱,1.烷烃 直链烷烃：1）显示弱的分子离子峰。2）由一系列峰簇组成，峰簇之间差14个单位。（29、43、57、71、85、99）3）各峰簇的顶端形成一平滑曲线，最高点在C3或C4。(异丙基、叔丁基正离子）4）比 M+.峰质量数低的下一个峰簇顶点是 M29。,支链烷烃：1）分枝烷烃的分子离子峰强度较直链烷烃降低。2）各峰簇顶点不再形成一平滑曲线，因在分枝处易断裂，其离子强度增加。3）在分枝处的断裂，伴随有失去单个氢原子的倾向产生较强的 CnH2n 离子。4）有甲基分枝的烷烃将有 M15，这是直链烷烃与带有甲基分枝的烷烃相区别的重要标志。,环烷烃：1）由于环

23、的存在，分子离子峰的强度相对增加。2）常在环的支链处断开，给出 CnH2n-1 峰，也常伴随氢原子的失去，因此该 CnH2n-2 峰较强。（41、55、56、69）3）环的碎化特征是失去 C2H4（也可能失去 C2H5）。,2.烯烃,1）由于双键的引入，分子离子峰增强。2）相差14的一簇峰，（4114 n）41、55、69、83。3）断裂方式有 断裂；-H、六元环、麦氏重排。4）环烯烃及其衍生物发生 RDA 反应。,环烯：RDA反应,3.芳烃,1）芳烃类化合物稳定，分子离子峰强。2）有烷基取代的，易发生 CC 键的裂解，生成的苄基离子往 往是基峰。9114 n苄基苯系列。3）也有 断裂，有多甲

24、基取代时，较显著。4）四元环重排；有-H，麦氏重排；RDA 裂解。5）特征峰：39、51、65、77、78、91、92、93,5.4.2 醇、酚、醚,1.醇 1）分子离子峰弱或不出现。2）CC 键的裂解生成 3114 n 的含氧碎片离子峰。伯醇：3114 n;仲醇：4514 n;叔醇：5914 n 3）脱水：M18 的峰。4）麦氏重排：失去烯、水；M1828 的峰。5）小分子醇出现 M1 的峰。,环己醇,2.酚（或芳醇）1）分子离子峰很强。苯酚的分子离子峰为基峰。2）M1 峰。苯酚很弱，甲酚和苯甲醇的很强。3）酚、苄醇最主要的特征峰：M28（CO）M29（CHO）,3.醚,脂肪醚：1）分子离子

25、峰弱。2）裂解及碳-碳 键断裂，生成系列 CnH2n+1O 的 含氧碎片峰。（31、45、59）3）裂解，生成一系列 CnH2n+1 碎片离子。（29、43、57、71）,芳香醚：1）分子离子峰较强。2）裂解方式与脂肪醚类似，可见 77、65、39 等苯的特 征碎片离子峰。,5.4.3 硫醇、硫醚,硫醇与硫醚的质谱与相应的醇和醚的质谱类似，但硫醇和硫醚的分子离子峰比相应的醇和醚要强。,1.硫醇 1）分子离子峰较强。2）断裂，产生强的 CnH2n+1 S峰，出现含硫特征碎片离子峰。（47+14 n；47、61、75、89）3）出现（M34）(SH2)，（M33）(SH)，33（HS+）,34（H

26、2S+）的峰。,例如 n-C12H25SH,2.硫醚 1）硫醚的分子离子峰较相应的硫醇强。2）断裂、碳硫 键裂解生成 CnH2n+1S+系列含硫的 碎片离子。,5.4.4 胺类化合物,1.脂肪胺1）分子离子峰很弱；往往不出现。2）主要裂解方式为 断裂和经过四元环过渡态的氢重排。3）出现 30、44、58、72系列 3014 n 的含氮特征碎片离子峰。,2.芳胺 1）分子离子峰很强，基峰。2）杂原子控制的 断裂。,5.4.5 卤代烃,脂肪族卤代烃的分子离子峰弱，芳香族卤代烃的分子离子峰强。分子离子峰的相对强度随 F、Cl、Br、I 的顺序依次增大。,1）断裂产生符合通式 CnH2nX+的离子,2

27、）断裂，生成（MX）+的离子,注意：可见（MX）+,（MHX）+,X+,CnH2n,CnH2n+1 系列峰。19 F 的存在由（M19），（M20）碎片离子峰来判断。127 I 的存在由（M127），m/z 127 等碎片离子峰来判断。Cl、Br 原子的存在及数目由其同位素峰簇的相对强度来判断。,3）含 Cl、Br 的直链卤化物易发生重排反应，形成符合 CnH2nX+通式的离子,5.4.6 羰基化合物,1.醛 脂肪醛：1）分子离子峰明显。2）裂解生成(M1)(H.)，(M29)(CHO)和强的 m/z 29（HCO+）的离子峰；同时伴随有 m/z 43、57、71烃类的特征碎片峰。3）-氢重排

28、，生成 m/z 44（4414n）的峰。,芳醛：1）分子离子峰很强。2）M1 峰很明显。,2.酮,1）酮类化合物分子离子峰较强。2）裂解（优先失去大基团）烷系列：2914 n 3)-氢重排 酮的特征峰 m/z 58 或 5814 n,3.羧酸类,脂肪酸：1）分子离子峰很弱。2）裂解 出现(M17)(OH)，(M45)(COOH)，m/z 45 的峰及烃类系列碎片峰。3）-氢重排 羧酸特征离子峰 m/z 60（6014 n）4）含氧的碎片峰（45、59、73）,芳酸：1）分子离子峰较强。2）邻位取代羧酸会有 M18（H2O）峰。,4.酯类化合物,1）分子离子纷纷较弱，但可以看到。2）裂解，强峰（

29、MOR）的峰，判断酯的类型；（3114 n）（MR）的峰，2914 n；5914 n 3）麦氏重排，产生的峰：7414 n 4）乙酯以上的酯可以发生双氢重排，生成 的峰：6114 n,酰胺类化合物 1）分子离子峰较强。2）裂解；-氢重排,6.氨基酸与氨基酸酯,小结：,羰基化合物中 各类化合物的 麦氏重排峰,醛、酮：58+14 n 酯：74+14 n 酸：60+14 n 酰胺：59+14 n,5.4.7 质谱图中常见碎片离子及其可能来源,5.5 质谱图的解析,5.5.1 质谱图解析的方法和步骤1.指认质谱谱峰的m/z值2.分子离子峰的确定3.对质谱图作一总的浏览 分析同位素峰簇的相对强度比及峰形

30、，判断是否有 Cl、Br S、Si、F、P、I 等元素。4.分子式的确定-计算不饱和度5.研究重要的离子,（1）高质量端的离子（第一丢失峰 M18 OH）（2）重排离子（3）亚稳离子（4）重要的特征离子烷系：29、43、57、71、85.芳系：39、51、65、77、91、92、93氧系：31、45、59、73（醚、酮）氮系：30、44、58,6.尽可能推测结构单元和分子结构7.对质谱的校对、指认,1、试判断质谱图1、2分别是2-戊酮还是3-戊酮的质谱图。写出谱图中主要离子的形成过程。,由图 1 可知，m/z 57 和 m/z 29 很强，且丰度相当。m/z 86分子离子峰的质量比最大的碎片离

31、子 m/z 57 大 29 u，该质量差属合理丢失，且与碎片结构 C2H5 相符合。所以，图1 应是 3-戊酮的质谱，m/z 57、29 分别由-裂解、-裂解产生。由图2可知，图中的基峰为 m/z 43，其它离子的丰度都很低，这是2-戊酮进行-裂解和-裂解所产生的两种离子质量相同的结果。,2.未知物质谱图如下，红外光谱显示该未知物在 11501070 cm-1有强吸收，试确定其结构。,从质谱图中得知以下结构信息：m/z 88 为分子离子峰；m/z 88 与 m/z 59质量差为29u，为合理丢失。且丢失的可能 的是 C2H5 或 CHO；图谱中有 m/z 29、m/z 43 离子峰，说明可能存在乙基、正丙 基或异丙基；基峰 m/z 31为醇或醚的特征离子峰,表明化合物可能是醇或醚。由于红外谱11501070 cm-1有强吸收，为醚。因为醚的 m/z 31 峰可通过以下重排反应产生：,据此反应及其它质谱信息，推测未知物可能的结构为：,质谱中主要离子的产生过程,