第三章 质谱图分析.ppt

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第三章,质谱图分析,3.1,确定分子量与分子式,质谱中分子离子峰的识别及分子式的确定是至关重要的,3.1.1,分子离子峰的识别,假定分子离子峰,:,高质荷比区,RI,较大的峰,(,注意：同位素峰,),判断其是否合理,:,与相邻碎片离子,(,m/z,较小者,),之间关系是否合理,1 2 3 15 16 17 18 20,丢失,H,.,H,2,H,2,+,H,.,.,CH,3,O,.,or,NH,2,OH,.,H,2,O HF,=414,2124,3738,通常认为是不合理丢失,判断其是否符合,氮,律,不含,N,或含偶数,N,的有机分子,其分子离子峰的,m/z,（即分子量）为偶数。含奇数,N,的有机分子,其分子离子峰的,m/z,（即分子量）为奇数。,使用,CI,电离时，可能出现,M+H,M,H,M+C,2,H,5,M+C,3,H,5,使用,FAB,时，可出现,M+H,M,H,M+Na,M+K,较高分子量的化合物，可能同时生成,M+H,M+2H,M+3H,等,3.1.2,分子离子峰的相对强度,(,RI,),不同的电离方式,其分子离子的,RI,不等。,不稳定的分子,大分子,其分子离子的,RI,较弱。,稳定的分子,大共轭分子,其分子离子的,RI,较强。,大约,20%,的分子离子峰弱或不出现,.,其大致规律如下,:,采用,EI:,芳香族化合物,共轭多烯,脂环化合物,低分子链烃,某些含硫化合物,羰基化合物,(,醛,酮,酸,酯,酰氯,酰胺,),分子离子峰通常可见,脂肪族醇类,胺类,硝基化合物，多支链化合物等,分子离子,峰,通常弱或不出现,分子离子峰不出现怎么办,?,改用其它离解方式,如,:,CI,FAB,ESI,等,3.1.3,分子式的推导,利用低分辨质谱数据，推导分子式,同位素峰簇及其相对丰度,对于,C,H,N,O,组成的化合物，其通式：,C,x,H,y,N,z,O,w,RI,(M+1)/,RI,(M)100=1.1,x,+0.37,z,(,2,H 0.016,17,O 0.04,忽略,),RI,(M+2)/,RI,(M)100=(1.1,x,）,2,/200+0.2,w,含硫的样品,32,S:,33,S:,34,S=100:0.8:4.4,RI,(M+1)/,RI,(M)100=1.1,x,+0.37z+0.8S,RI,(M+2)/,RI,(M)100=（1.1,x,）,2,/200+0.2,w,+4.4S,含,Si,的化合物,28,Si:,29,Si:,30,Si=100:5.1:3.4,含重同位素（如,Cl,Br,）,的样品,35,Cl:,37,Cl=100:32.5 3:1;,79,Br:,81,Br=100:981:1,分子中含,1,Cl,，,(a+b),1,M:M+23:1,分子中含,2,Cl,，,(a+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,(a+b)(c+d),M:M+2:M+43:4:1,当分子中含有两种或两种以上的不同的具有同位素的元素时，可以用二项式展开的乘积来计算，即,(a+,b),n,(c+,d),m,例：,化合物中含有,2,个氯和,2,个溴原子,Cl,2,:(a+b),n,=(3+1),2,=9:6:1,Br,2,:(c+d),m,=(1+1),2,=1:2:1,（,9 6 1)1,9 6 1,(9 6 1)2,18 12 2,(9 6 1)1,9 6 1,9 24 22 8 1,即,M:(M+2):(M+4):(M+6):(M+8),9:24:22:8:1,如果两个离子分别含有,1,个溴和,3,个氯，虽然,(M+2),峰的相对强度差不多，但是,(M+4),峰却有差别。,在考虑,(M+2),峰的相对强度时，还必须考虑,(M+1),峰对它的贡献。,DBE,（或,UN,）,的计算,DBE:Double Bond Equivalents,UN:Unsaturated Number,计算式为,:,CC,原子数,HH,原子数,=C+1,H/2,i),分子中含有卤素原子,(,X),时,它的作用等价于,氢,原子;,ii),二价原子数目不直接进入计算式,;,iii),化合物中若含有一个三价,N,原子,它相应的化合物比链状烷烃多,3,个,H.,故有,:,N,为三价,:,=C+1,H/2,X/2+N/2,N,为五价,:,=C+1,H/2,X/2+3N/2,例如,:,C,7,H,3,ClN,2,O,2,=(7+1)3/2 1/2+1/2+3/2=8,=(7+1)3/2 1/2+2/2=7,例：,化合物的质谱图如下，推导其分子式,设：分子离子峰：,73,7358=15,合理,(1.9/31)100=1.1x+0.37z,z=1,x=5,y=731460=1?,z=1,x=4,y=731448=11,合理,分子式,C,4,H,11,N,=0,例,3,：化合物的质谱图如下，推导其分子式,由碎片离子,可判断其为,C,6,H,13,Br,164:166=1:1,164-85=79(Br),分子中含有,1,个,Br,不含氮或含偶数氮,m/z,:,85(49),86(3.2),87(0.11),x=3.2/49100/1.16,设,x=6,则,y=13,可能的分子式,C,6,H,13,Br,=0,合理,设,x=5,w=1,则,y=9,可能的分子式,C,5,H,9,OBr,=1,也合理,例,设,m/z,154,为分子离子峰,154-139=15,合理,m/z,154 155 156 157,RI,100 9.8 5.1 0.5,分子中含有,1,个,s,x=(9.8,0.8)/1.1,8,y=154,32 12,8=26,不合理,设,w=1,则,y=154,321612,8=10,分子式为,C,8,H,10,OS,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,DBE,的一般规律。,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,=0.007825,y,+0.003074,z,-0.005085,w,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,3.3,有机质谱中的反应及其机理,M,+,e,M,+,.,+,2e,M,-.,+,小于,1%,M,+,.,A,+,.,+,+,B,+,A,B,+,+,.,中性分子或碎片,R,50-70,eV,M,+,A,+,B,+,C,+,D,+,3.3.1,研究有机质谱裂解反应的实验方法,亚稳离子法,同位素标记法,亚稳离子法,m,1,m,m,2,m,=15(CH,3,）,18(H,2,O),28(CH,2,CH,2,CO),同位素标记法,2,H,标记，其质荷比大于未标记的分子离子或碎片离子。,例如,:,醇失水，,MS,证明是,1,4-,失水为主,氯代烃脱,HCl,是,1,3-,失,HCl,为主,3.3.2,有机质谱裂解反应机理,裂解反应瞬间进行，机理研究困难,McLaferty,提出“电荷自由基定位理论”,自由基引发（,断裂）,自由基,有强烈的电子配对倾向,正电荷吸引或极化相邻成键电子引起裂解（,i,断裂）,均裂,-,单电子转移,断裂,(,化合物不含杂原子，也没有,键）,异裂,-,双电子转移,分子失去一个电子，生成带单电子的正电荷的离子,单电子或正电荷带在何位？,分子中,n,电子比,电子易丢失，,电子比,电子易丢失,离子的正电荷愈分散，离子的稳定性愈大,自由基位置引发的裂解反应,自由基位置引发的重排反应,电荷位置引发的裂解反应,3.3.3,有机化合物的一般裂解规律,偶电子规律,OE,+,OE,+,OE,+,EE,+,EE,+,EE,+,EE,+,OE,+,?,如何识别质谱图中的的,OE,+,?,不含氮的化合物,m/z,为偶数的离子是奇电子离子,在质谱图中,奇电子离子并不多见,但重要,.,烃类化合物的裂解规律,:,烃类化合物的裂解优先生成稳定的正碳离子,CH,3,(CH,2,),n,CH,3,m/z,43,或,57,是基峰,C,6,H,5,CH,2,(CH,2,),n,CH,3,m/z,91,是基峰,含杂原子化合物的裂解（羰基化合物除外）,:,羰基化合物的裂解,:,逆,Diels-Alder,反应,(RDA):,氢的重排反应,:,McLafferty,重排,例：,4,辛酮：,氢重排的证明：,用,D,取代,H,：,用,D,取代,H,：,用,D,取代,H,：,例：烯：,酯：,烷基苯：,腙：,环氧化合物：,不饱和醇：,羧酸：,酰胺：,-H,重排常见离子,自由基引发或正电荷诱导，经过四、五、六元环过渡态氢的重排,偶电子离子氢的重排,芳环的邻位效应,杂芳环的邻位效应,长链酯基的双氢重排,饱和分子的重排分裂,很多不含双键的分子也可发生重排分裂。如，醇失去水的,碎片离子峰的生成：,可由氘标记实验证实。通过六员环转移，,1,4-,消去。,例：,腈化物：失,HCN,硫醇,:,失,H,2,S,还可失,CH,3,CO,2,H,，,CH,3,OH,，,CH,2,=C=O,等,质谱中的非氢重排,环化取代重排,消去重排,环化取代重排,(,cyclization,displacement rearrangement),m/z,91(100),消去重排,(elimination rearrangement),烷基迁移,苯基迁移,烷氧基迁移,氨基迁移,3.4,各类有机化合物的质谱,烃类化合物的质谱,醇、酚、醚,硫醇，硫醚,胺类化合物,卤代烃,醛，酮，羧酸，酯，酰胺,烃类化合物的质谱,烷烃,-,直链烷烃：,M,+,峰弱，可见。,m/z,C,n,H,2n+2,M-29(,C,2,H,5,),C,n,H,2n+1,(,主,),，,m/z,43,57,71,85,99,113,等,;m=14,C,n,H,2n,m/z,42,56,70,84,等,C,n,H,2n-1,m/z,41,55,69,83,等,m/z,43 (CH,3,),2,CH,+,57 (CH,3,),3,C,+,基峰或强峰,碎裂符合偶电子规律,n-,十六烷的质谱图如下,烷烃,-,支链烷烃,M,+,弱或不见。,M-15 (,CH,3,),带侧链,CH,3,M-R (,R),优先失去大基团，此处,碎片离子峰的,RI,大。,烷烃,-,环烷烃,以环己烷为例,:,M,+,较强,因裂解丢失基团需断裂两个键。,m/z,41,55,69,峰。自由基引发，经过四，五，六元环过渡态氢转移，裂解如下,:,（环上烷基取代，优先失去大基团，正电荷带在环上。）,甲基环己烷,的质谱图如下,脂环化合物的复杂断裂：,1.,特点：,i),需经两次开裂；,ii),断裂前有氢原子的转移,.,2.,实例：甲基环己醇三种异构体的裂解,1,）,2-,甲基环己醇：,A,B,稳定性：叔碳自由基仲碳自由基,m/z,57,m/z,71(,强度,),2,）,3-,甲基环己醇：,甲基有超共轭效应，,m/z,71,m/z,57(,RI,),3,）,4-,甲基环己醇：,另例：,烯 烃,M,+,峰较弱，但比相应的烷烃强。,m/z,C,n,H,2n,-,键断裂（末端烯），,m/z,41 CH,2,=CH-CH,2,+,基峰或强峰。,-,氢重排,m/z,42 CH,2,=CH-CH,3,+,基峰或强峰,C,n,H,2n-1,(,主,),如,m/z,41,55,69,83,等。,C,n,H,2n+1,m/z,43,57,71,85,99,113,等,;,m=14,C,n,H,2n,m/z,42,56,70,84,，,等,42+14n,。,注意：,重排时，双键可能发生移动，其位置难以确定。,1-,十二烯,的质谱图如下：,环烯,：,RDA,反应,芳烃,烷基苯,M,+,强或中等强度。,-,键的断裂，产生,m/z,91,的基峰或强峰；,-H,的重排，产生,m/z,92,的奇电子离子峰，进一步裂解，产生,m/z,77,，,65,，,51,，,39,的峰或者,m/z,78,，,66,，,52,，,40,的峰。,例如,正己基苯,的,MS,如下：,醇、酚、醚,醇,M,+,弱或不出现,C,n,H,2n+1,O,的含氧碎片,m/z,31,45,59,等（自由基位置引发的,-,裂解）。,M,18,M,18,28,伴有,C,n,H,2n+1,m/z,43,57,71,85,99,113,等（,i,异裂,R,+,）。,C,n,H,2n,m/z,42,56,70,84,，,等,分子失水后类似于烯烃的裂解。,C,n,H,2n-1,m/z,41,55,69,83,等。,正壬醇,的质谱图,环己醇,苄 醇,苯 酚,醚,脂肪醚,:,M,+,弱,M,H,+,C,n,H,2n+1,O,的含氧碎片,31,45,59,等,.,-,裂解,-H,转移,.,C,n,H,2n+1,m/z,43,57,71,85,99,113,等。,(,i,异裂,R,+,)CO,键断裂,正电荷往往带在,R,基上,.,低质荷比区伴有,C,n,H,2n,C,n,H,2n-1,峰,.,与醇类的区别,无失水峰,.,2-,乙氧基丁烷,的质谱图如下,乙基正丁基醚,的质谱图如下,芳香醚,M,+,较强，类似于脂肪醚的裂解方式。,-H,转移,-H,重排,双取代芳香醚,取代基的位置对其质谱有较大的影响,硫醇、硫醚,M,+,的相对强度较相应的醇、醚强,.,硫醇,:,M-33(-HS),M-34(-H,2,S),33 HS,+,34H,2,S,+,C,n,H,2n+1,S,的含硫碎片,47,61,75,89,等,.,伴有,C,n,H,2n+1,m/z,(43,57,71,85,99,113),C,n,H,2n,和,C,n,H,2n-1,等,.,(,长链烷基硫醇尤为明显,),例如,n-C,12,H,25,SH,硫 醚,C-S,键断裂,正电荷往往带在含,S,碎 片上,.,-,裂解,.,C,n,H,2n+1,S,的含硫片,47,61,75,89,等,.,四元,(,-H),五元,六元,(,-H),过渡态 氢的重排,.,M,+,的相对强度较相应的硫醇强,2-,甲基,-2-,巯基,-,丁烷,正戊基异丙基硫醚,胺类化合物,胺类化合物的,M,+,的,RI,较较弱,仲胺,叔胺或大分子伯胺,M,+,峰往往不出现,含奇数个,N,M,+,的,m/z,是奇数值,-,裂解,正电荷带在含氮的碎片上,(N,稳定正电荷,的能力大于,O,S),C,n,H,2n+2,N,的含,N,特征碎片峰,m/z,30,44,58,等，,30+14n,峰,.,-,H,转移,小分子伯胺,仲胺,叔胺 的,-,裂解,其,m/z,30,44(or 44+14n),58(or 58+14n),的峰为基峰或强峰,.,比较正癸烷和,1,氨基癸烷的质谱图：,三乙胺的质谱图,芳 胺,羰基化合物,醛,酮,羧酸,酯,酰胺,醛 酮 羧酸 酯 酰胺,X:,H CH,3,OH OCH,3,NH,2,X,-,CO,+,29 43 45 59 44,R,-,CO,+,M,-,1 M,-,15 M,-,17 M,-,31,M,-,16,M,-(,15+14n)M,-(,31+14n)M,-(,16+14n),由,M,-,X,判断羰基化合物的类型,羰基化合物,醛,脂肪醛,M,+,明显,.,可见,M-1,M-29,及,R,+,碎片离子,m/z,29,强峰,.,CH,3,(CH,2,),7,CHO,芳醛,M,+,强或基峰,.,苯甲醛的裂解如下,:,水杨醛的质谱图,羰基化合物,酮,例：由质谱图推导化合物结构,薄荷酮的质谱图如下,羰基化合物,羧酸,羧酸 的分子离子峰弱，可出现,M,17(M,OH),M,45(M,COOH),45(COOH),-H,的重排生成,m/z,60,的峰,羰基化合物,酯类,小分子酯有明显的分子离子峰,甲酯可出现,M,31(M,OCH,3,),乙酯可出现,M,45(M,OC,2,H,5,),-H,的重排生成,m/z,74+14n,的峰,长链酯的双氢重排峰,C,10,H,10,O,2,C,9,H,10,O,2,的质谱图（,a,b,）,如下，推导其结构,a,邻甲基苯甲酸甲酯,b,苯乙酸甲酯,C,6,H,12,O,2,两种异构体的质谱图如下，推导其结构,(,己 酸,丙 酸 丙 酯,),3-,甲基丁酸甲酯,羰基化合物,酰胺及氨基酸类,酰胺类化合物的裂解反应与酯类化合物类似,-,裂解,-,裂解,-,氢的重排,-,氢的转移,分子式,C,11,H,15,NO,两种异构体的 质谱图如下，解释之,质谱解析实例,1,水杨酸正丁酯（,O,-,羟基苯甲酸正丁酯）,质谱解析实例,2,m*,:102.7,87.4,77.1,53.8,5.08,29.5,m/z,157,127,(,m*,102.7,),30,NO,or CH,2,O,141,111,(,m*,87.4,),30,NO,or CH,2,O,127,99 (,m*,77.2,),28,CO,or CH,2,CH,2,99,73 (,m*,53.8,),26,CHCH,111,75 (,m*,50.7,),36,HCl,76,50 (,m*,32.9,),26,CHCH,85,50 (,m*,29.5,),35,Cl,分子中含有,1 Cl,1 N,（,且为,NO,2,）,苯基。,157,35(Cl),46(NO,2,)=76,为双取代苯,例一,:,试由未知物谱图推出其结构。,解：由图：,m/z,102,很弱，且无苯环特征峰（,77,，,65,，,51,，,39,）等，可知该化合物为脂肪烃。,由,m/z,31(,+,OCH,3,）可知为含氧化合物醇、醚型，因为质谱图中无,M,18,峰，所以化合物为脂肪族醚类。,(102,16),2/14=6,分子式为,C,6,H,14,O,结构式可能为：,m/z,87 M,CH,3,45 73,C,2,H,4,73 M,C,2,H,5,31 CH,2,=OH,+,59 87,C,2,H,4,29 CH,3,CH,2,+,57 M,OC,2,H,5,无,m/z,59,，故可排除,(b),例二,:,未知物分子为,C,4,H,11,N,。今有七套质谱数据如下表所示，试推出相应的未知物结构。,相对丰度,解：,C,4,H,11,N,的可能异构体：,CCCCN,CCN,C,C,CCCN,C,CCN,C,C,CCCNC,CNC,C,C,CCNCC,CCN,C,C,杂原子（,N,）化合物最易产生的裂分是,裂分,。,先从基峰着手，基峰为,m/z,58,的化合物有,A,、,B,、,C,、,G,。,对照上列,8,个结构式，易发生,裂分失去甲基自由基的有：,，,，,，,，,。但对于,式：,有显著的,m/z,44,的峰，故可排除。,的分支最多，,M,CH,3,强，分子离子峰最低（,0,），故,为,G,的结构式。,下面考虑峰强度差异较大的,m/z,30,，由于,m/z,30,可由,m/z,58,或,m/z,72,经四元环重排得来，故由重排几率的大小即可判断。,式中,N,原子两侧均能发生,裂分，继之发生四元环重排，,m/z,30,强度最大（,73.6,），故,为,B,式。,式：,m/z,30,次于,B,式的强度，故,为,C,式。,式：,与,A,中数据相符，故,为,A,式。,基峰为,m/z,44,的异构体，仅化合物,D,。结构式,，,均可失去,C,2,H,5,产生,m/z,44,碎片离子，由于,D,中还有,m/z,58,碎片，而,不易失去甲基，故可排除,式。,式为,D,的结构式,。,最后考虑基峰,m/z,30,：,式：,但不易失去甲基，,m/z,58,很低,(0),，故,F,为,式。,式：相对,式较易失去甲基，故分子离子峰的,强度弱于,式，但有,m/z,58,，故,E,为,式结构。,式：,例三：试由质谱图推出该未知物结构。,解：由同位素峰簇：,m/z,228,，,230,；,183,，,185,；,169,，,171,。几乎,等高强度，故含有一个,Br,。,m/z,228,为分子离子峰。,m/z,183 M,CO,2,H,+,169 M,CH,2,CO,2,H,+,149 M,Br,+,77 C,6,H,5,+,51 C,4,H,3,+,39 C,3,H,3,+,例四：某化合物质谱如图所示。高质量端各峰的相对强度为：,m/z,222 223 224,相对强度,3.0 0.4 0.04,解：由,m/z,222,223,224,可知分别对应于,M,M+1,M+2,。如果,将,M,定为,100,，则,M,1,为：,13.33,，,M,2,为：,1.33,，不含,S,，,Cl,，,Br,。,查,Beynon,表，当,M,为,222,时，符合上述条件的分子式为,C,12,H,14,O,4,C+1,(H/2),12+1,7,6,可能含一个苯环，两个双键。,m/z,77,，,65,，,51,，,39,进一步证明分子中含有苯环。,基峰为,149,，为邻苯二甲酸酐的特征峰；,222,与,149,相差,73,，应含一个,O,和两个,C,2,H,5,。故可知该化合物,为邻苯二甲酸二乙酯。（塑料增塑剂）,解：,对应于,2,解：,对应于,2,对应于,1,（,C,）,对应于,3,例六：试解下图所示图谱。,解：该化合物的主要碎片化途径如下图所示,例七：一个已知结构的三萜烯衍生物的质谱如图,(a),所示，现有另一未知结构的 三萜烯衍生物质谱如图,(b),所示，试从二质谱的对比找出未知物的结构信息。,(a),(b),解：已知三萜烯（图,a,）,由图（,b,）：,M,+,m/z,458,比已知物多,32 u,，可能为两个氧原子，基峰,m/z,234,比已知物多,16 u,，为一个氧原子，而且与已知物双键位置相同。如果二者双键位置不同，,RDA,碎片质量会有较大差别。可在原,m/z,218,碎片中补加一个,OH,基，另一个中性碎片中也应补加一个,OH,基，（因未知物多两个氧原子）。这种推断法叫做质量位移法。,未知物：,例八：由质谱决定该肽类化合物氨基酸的连接序列,解：分析该质谱，分子离子峰为,m/z,1082,，重要的峰为：,91,，,114,，,121,，,134,，,161,，,231,，,275,，,436,，,627,，,756,。,