第四章 质谱 (Mass spectrometry).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,*,第四章,质,谱,(MS),(Mass spectrometry),质,谱法,(mass spectroscopy,MS),是,利用电磁,学原理对电荷分子和亚分子碎片依其质荷比进行分离和分析的方法。而质谱,(massspectrum),是,指,所记录的这些碎片的相对丰度按其质荷比,(,m/z,),的分布曲线。,相对丰度,m/z,用 途,测定化合物分子量,确定化合物分子式,提供结构信息,特点,灵敏度高,分析速度快,可和气相色谱、高效液相色谱联用,是唯一可以确定分子式的方法,主要内容,1.,质谱的基本原理,2.,质谱仪器,3.,质谱中的主要离子,4.,离子开裂的类型,5.,基本化合物的质谱,6.,质谱定性分析及图谱解析,7.,气相色谱,-,质谱联用,8.,应,用,质 谱 分 析 法,第一节 基本原理,样品分子 带正电荷离子 离子,束（进入质量分析器）不同质荷,比的离子一一分开 接受器,解离,电场加速,电场、磁场,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.,电子轰击,2.,化学电离,3.,场致电离,4.,激光,1.,单聚焦,2.,双聚焦,3.,飞行时间,4.,四极杆,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,）,原因,(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。,M,电子轰击,M,+,分子离子,+,离子,A,+,游离基,.,+,A,游离基离子,中性碎片,甲醇分子碎片离子的形成,质谱仪中的几种不同离子源,名称,简称,类型,离子化试剂,电子轰击电离,化学电离,场电离,场解吸电离,快原子轰击,二次离子质谱,激光解吸电离,热喷雾离子化,电喷雾离子化,EI,CI,FI,FD,FAB,SIMS,LDI,TS,ESI,气相,气相,气相,解吸,解吸,解吸,解吸,高能电子,试剂离子,高电位电极,高电位电极高能原子束,高能离子,激光束,高温,高电场,加速后离子的动能,:,(1/2),m,2,=,e V,（,1,）,m,：,正离子质量,：正离子速度,e,：,单位电荷电量,V,：加速电压,在磁场存在下，带电离子按曲线轨迹飞行；,离心力,=,向心力；,m,2,/r=H e,(2),r:,分离管半径,H:,磁场强度,m,：正离子质量,：正离子速度,(1/2),m,2,=,e V,（,1,）,m,2,/r=H e,（,2,）,质谱方程式：,m,/,e,=(,H,2,r,2,)/2,V,H,R,固定，电压扫描,，,m/z,1/V,V,R,固定，磁场扫描,，,m/z,H,2,采用感光板记录的质谱仪,H,和,V,不变,R,改变,.,四极杆质量分离器,联用仪器,仪器内部结构,联用仪器（,THE GC/MS PROCESS,）,Sample,Sample,5890,1.0,DEG/MIN,HEWLETT,PACKARD,HEWLETT,PACKARD,5972A,Mass,Selective,Detector,D,C,B,A,A,B,C,D,Gas Chromatograph(GC),Mass Spectrometer(MS),Separation,Identification,B,A,C,D,联用仪器（,THE LC/MS PROCESS,）,联用仪器,Figure .API-Ion Trap Interface(Esquire-LC),质谱仪的主要性能指标,分辨率,：,R=M/,M,M:,任一离子质量,;,M:,两种相邻离子的质量差,灵敏度,：,绝对灵敏度：检测的最小样品量,相对灵敏度：同时检测的大、小组分的含量比,质量范围,：能够测量的质量范围,分辨率,是质谱仪性能优劣的一个指标，是指仪器把质量数为,m,1,、,m,2,的相邻两碎片离子分开的能力，用,R,表示。,质谱分辨率,R,=,M,/,M,M,：两峰中任何一个峰的质量,M,：两峰的质量差,相邻两离子被分开指两离子峰间形成的峰谷高度为两峰平均峰高的,10,以下,例：两峰的质量分别是,500,和,501,，另两峰的质量是,1000,和,1000.1,，若要分开这些离子，仪器的分辨率要达到多 少？,R=500/1=500,R=1000/0.1=10000,碎片离子,C,5,H,6,C,4,H,2,O,低分辨质谱仪,m/e,66 66,高分辨质谱仪,m/e,66.0468 66.0105,质谱数据表达形式,质谱图,质谱图是记录正离子质荷比（,m/z,）及峰强度的图谱，一般用条状图表,示。,质谱的表示方法,1,）,质谱图,：,峰形图和条图,一般采用条图，横轴表示,(,m/z,),纵轴是离子相对丰度。,2,）,质谱表,：,文献中用,3,）,元素图,：,高分辨率仪器经运算得到，可知每个离子的元素组成,离子的丰度,1,）,相对丰度,：用最强峰作基峰，其它峰相比得到的百分数表示。,2,）,绝对丰度,正丙苯的质谱图,质谱表,m/e,相对丰度,%,59,44,43,28,100,90,60,40,第二节,离子的主要类型,主要离子类型,分子离子,准分子离子,碎片离子,多电荷离子,重排离子,亚稳离子,同位素离子,解析质谱就是对上述离子峰加以识别，以测定有机化合物的分子量及结构式。,一、分子离子（母离子）,分子离子的形成,M+e,M,+,+2e,电荷位置,1,）若分子中含有杂原子,O,N,S,则电荷在杂原子上,2),若分子中无杂原子，有双键，则在双键碳上,失电子的容易程度,杂原子,C=C C C C H,CH,3,OH,+,分子离子峰在质谱图中的位置,一般质谱图上质荷比最大的峰为分子离子 峰；,形成分子离子需要的能量最低，一般约电子伏特,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。,二、准分子离子,分子离子得到一个氢形成,M+1,+,峰，失去一个氢，形成,M-1,+,峰，称为准分子离子峰。准分子离子不含未配对的电子，结构比较稳定，常用软电离技术产生。,离子分子相互作用产生的离子,Q,+,+M,QM,+,如在,GC-MS,中，采用反应气体甲烷（约,1%,，,12,乇）以,500V,电子轰击时产生,CH,5,+,(47%),C,2,H,5,+,(41%),C,3,H,5,+,(6%),等离子，它们再与分子,M,产生离子分子反应：,1,）质子的转移,：,CH,5,+,+M,MH,+,+CH,4,C,2,H,5,+,+M,MH,+,+C,2,H,4,CH,5,+,+M,(MH),+,+CH,4,+H,2,C,2,H,5,+,+M,(MH),+,+C,2,H,4,+H,2,2,）复合反应,：,CH,5,+,+M,(M+CH,5,),+,C,2,H,5,+,+M,(M+C,2,H,4,),+,产生,(M+1),峰,产生,(M-1),峰,产生,(M+17),峰,产生,(M+29),峰,M,电子轰击,M,+,分子离子,+,离子,A,+,游离基,.,+,A,游离基离子,中性碎片,三、,碎片离子,甲醇分子碎片离子的形成,正己烷,碎片离子峰,正癸烷,形成碎片离子的途径,简单开裂,：由分子中任意一个化学键断裂而形成碎片离子的途径。,例,4,辛酮的质谱,当分子离子的质量数为偶数时，简单开裂形成的碎片离子的质量一定是奇数，而当分子离子的质量为奇数时，由简单开裂形成的碎片离子的质量一定是偶数。,含杂原子的化合物，其断裂易发生在杂原子的,键上,复杂开裂,断裂过程中会发生重排，形成重排离子,四、重排离子,分子离子在裂解的同时，会发生某些原子或原子团的重排，生成比较稳定的重排离子，其结构和原来分子的结构单元不同，其在质谱图上相应的峰称为重排离子峰。,五、亚稳离子,m,2,m,1,m*,m/z,特点,：,1,）,m*=(m,2,),2,/m,1,2,）,m*,峰钝而小，一般跨,2-5,个质量单位,3,）,m*,峰的质荷比一般不是整数,亚稳离子的生成：,在电离室中,m,1,+,m,2,+,亚稳离子峰用途,帮助确定某一开裂过程的存在：,例：蒽醌质谱图上发现,m*=155.8,和,m*=128,两亚稳离子峰,例如：,CH,4,M,=16,12,C+,1,H,4=16,M,13,C+,1,H,4=17,M,+1,12,C+,2,H+,1,H3=17,M,+1,13,C+,2,H+,1,H3=18,M,+2,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,。；,六、同位素离子,六、同位素离子,由,M,1,峰可判断分子中所含的碳原子数，由,M+2,峰可判断分子中有无,Cl,Br,S,。如：,苯在,m/z,=78,出现分子离子峰，,m/z,=79,的峰是,M+1,峰，,M+1/M=6.6%,，自然界,13,C,相对丰度,=1.1%,，苯中,6 C,，,1.1%,6=6.6%,2,H,的相对丰度是,0.015%,，可以忽略。,七、多电荷离子,M+e,M,2+,+3e,M+e,M,3+,+4e,第三节,分子离子的裂解类型和裂解规律,裂解类型,一、简单开裂,简单开裂,：由分子中任意一个化学键断裂而形成碎片离子的途径。,（,1,）,裂解,三种类型,：在饱和杂原子上的游离基引发,在不饱和杂原子上的游离基引发,在碳碳不饱和键上的游离基引发,在饱和杂原子上的游离基引发,CH,3,(CH,2,),9,CH,2,NH,2,断裂,丢失最大烃基的可能性最大,丢失最大烃基原则,H,例：某一级胺的质谱图如下，试问此结构是,A,还是,B,？,30,87(M,+,),m/e,在不饱和杂原子上的游离基引发,Z:,一般是,O,羰基化合物（醛、酮、酯等）属于这种类型的裂解,例,1,某酮类化合物（,M=86,），质谱图上有,m/e,=43,和,71,两个主要峰，试推测结构。,例,2,某羰基化合物质谱图上给出两个强峰，,m/e,=29,m/e=43,推测其结构。,在碳碳不饱和键上的游离基引发,逆狄尔斯阿尔德反应,柠烯,异戊二烯,异戊二烯正离子,烷基苯,裂解,例,1,解释 的质谱图中,m/e,=108,的来源,108,M,+,160,80,40,例,2,质谱图上在,m/e,=83,和,m/e,=57,处有两个强峰，此化合物是,A,还是,B,？,（,2,）诱导裂解,由正电荷吸引一对电子而引起的裂解，一般是异裂，用,i,表示。,裂解和,i,裂解互相竞争,含氮化合物易发生,裂解,含卤原子化合物易发生,i,裂解,s-,裂分,当化合物不含,O,N,，,键时，只能发生,s,裂分,二、重排开裂,断裂过程中会发生重排，产生了原化合物中不存在的结构单元的离子。大部分重排有规律。,（,1,）麦氏重排（,Mclafferty,rearrangement,),麦氏重排条件：,含有,C=O,，,C=N,，,C=S,及,C=C,与双键相连的链上有,碳，并在,碳有,H,原子（氢）,六圆环过度，,H,转移到杂原子上，同时,键发生断裂，生成一个中性分子和一个自由基阳离子,例,1,甲基正丙基酮麦式重排,例,2 4,辛酮麦式重排,例,3,丁苯的部分质谱图如下，试解释各离子 峰的形成过程,91,92,134,m/e,例,4,某酯的质谱图上于,m/e74,处给出强峰，其结构是,A,还是,B,？,m/e,102,（,2,）,RDA,重排,（,Retro-,Diels,-Alder fragmentation,）,具有环己烯类型的化合物能发生,RDA,开裂,，,一般都生成一个带正电荷的共扼二烯游离基和一个烯类中性分子。,（,3,）双重氢重排,：,谱图上出现比简单开裂产生的离子多两个质量（,2H,）的离子峰，这是由于,2H,从脱离的基团上转移到该离子上,.,乙酯以上的酯和碳酸酯,重排过程,遇到,开裂或其它重排无法解释的离子峰时，应考虑是否由双重氢重排产生的，易发生在酯类化合物中，,M-41,存在可确定丙酯,M-41,峰,重排过程,邻接碳原子上有适当的取代基,（,4,）饱和分子的重排分裂,不含双键的分子也可发生重排,产生,【M-H,2,O】,【M-HCl】,【M-HF】,【M-H,2,S】,等碎片离子,裂解规律,1.,碎片离子的稳定性越大，其相对强度越高,正碳离子稳定性次序：,2.,电荷自由基定域理论：如果分子离子的电荷或自由基被认为定域在分子离子的某一特定位置上，由此可推断裂解方式,3.,键断裂的难易程度,:,键越弱，越易断裂 单键最弱的是,C-X:C-IC-BrC-,Cl,C-F,含,C-X,键的化合物出现较强的,R,+,峰,4.,产生环状过渡态的难易程度：一般形成五元、六元环的过渡状态，随后 消除一个中性分子的裂解反应较易发生,5.,奇电子离子裂解时，电荷在电负性较小的 原子上,6.,偶数电子规律,奇电子离子,偶电子离子,7.,丢失最大烃基规则,