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1、第二章 有机质谱质谱概述质谱仪及其原理有机化合物的质谱反应及机理各类化合物的质谱特征有机化合物质谱解析ESI-MS质谱技术第一节第一节 分子离子峰识别及分子式求算分子离子峰识别及分子式求算一、质谱图一、质谱图 以以质质荷荷比比m/z为为横横座座标标，以以对对基基峰峰(最最强强离离子子峰峰，规规定定相相对对强强度度为为100%)相相对对强强度度（或或称称丰丰度度，abundance）为为纵纵座座标标所所构构成成的的谱谱图图，称称之为质谱图。之为质谱图。分子离子峰提供分子量，分子离子峰提供分子量，碎片峰提供结构信息碎片峰提供结构信息质谱图：质谱图：复习质谱峰类型复习质谱峰类型 分分子子在在离离子子
2、源源中中可可产产生生各各种种电电离离，即即同同一一分分子子可可产产生生多多种种离离子子峰峰：分分子离子峰、同位素离子峰、碎片离子峰、重排离子峰、亚稳离子峰等。子离子峰、同位素离子峰、碎片离子峰、重排离子峰、亚稳离子峰等。设设有有机机化化合合物物由由A，B，C和和D组组成成，当当蒸蒸汽汽分分子子进进入入离离子子源源，受受到到电电子轰击可能发生下列过程而形成各种类型的离子：子轰击可能发生下列过程而形成各种类型的离子：分子离子碎片离子重排裂解碰撞裂解二、二、分子离子峰的识别分子离子峰的识别化合物失去一个或多个电子形成的离子化合物失去一个或多个电子形成的离子 叫叫分子离子（峰）分子离子（峰）分子离子峰
3、的辨别困难：分子离子峰的辨别困难：1、样品不汽化或分解，电离后无完整分子结构。、样品不汽化或分解，电离后无完整分子结构。2、样品不纯，夹带杂质在高质量端出峰。、样品不纯，夹带杂质在高质量端出峰。3、很多元素都有同位素，分子离子峰存在于同位素峰簇、很多元素都有同位素，分子离子峰存在于同位素峰簇中（中（P13表表2.1）许多元素存在同位素。最轻同位素许多元素存在同位素。最轻同位素 天然丰度最大天然丰度最大最大丰度同位素最大丰度同位素 分子离子峰分子离子峰 M+同位素同位素离子峰离子峰 M+1 或或 M+2 峰峰必须是化合物谱图中质量最高的离子（同位素峰及准分子离子峰除外）必须是化合物谱图中质量最高
4、的离子（同位素峰及准分子离子峰除外）必须是奇电子离子、质荷比符合氮规则必须是奇电子离子、质荷比符合氮规则 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 （3-14、2124为不合理碎片丢失区，为不合理碎片丢失区，P15表表）分子离子的判别原则分子离子的判别原则 在有机化合物中，不含氮或含偶数氮的化合物，分子量一定为偶数（分子离子的质荷比为偶数），含奇数氮的化合物分子量一定为奇数。反过来，质荷比为偶数的分子离子峰，不含氮或含偶数个氮。氮律：氮律：奇电子离子（奇电子离子（odd-electron ion）OE：具有未配对电子的
5、离子称为奇电子离子，分子离子是奇电子离子。合理碎片丢失 例如m/z 差13分子离子峰的相对强度：分子离子峰的相对强度：有机物分子离子丰度大小有机物分子离子丰度大小:芳香环芳香环共轭烯共轭烯 孤立烯孤立烯环状化合物环状化合物酮酮醚醚酯酯胺胺酸酸醇醇直链烃直链烃支链烃支链烃 当当EI谱中未出现谱中未出现M峰时，可通过改变实验方法测试：峰时，可通过改变实验方法测试：.降低降低EI离子源的轰击电压离子源的轰击电压 70 ev 15 ev改用软电离技术，如改用软电离技术，如CI、ESI、FAB等等降低样品的汽化温度，以减少分子离子近一步裂解的可能性。降低样品的汽化温度，以减少分子离子近一步裂解的可能性。
6、衍生化法。比如羧酸衍生成酯后，再做质谱。衍生化法。比如羧酸衍生成酯后，再做质谱。三、分子式的推导三、分子式的推导合理的分子式，除该式的式量等于分子量外，还要看其是否符合氮律、不饱和度是否合理等。不饱和度（不饱和度（UN）：分子中含有的环数及键数之和。UN=(n+1)+a/2 b/2n:4价原子：C、Si等a:3价原子：N、P等b:1价原子：H、F、Cl、Br、I等2价S、O的存在，对UN计算无贡献。u 若S、N、P为高价态，计算值会低于分子的UN。例：计算以下分子的不饱和度。C3H7N（1）（2）C8H8O推测化合物的分子式可采用低分辨低分辨或高分辨高分辨质谱法1、低分辨质谱法、低分辨质谱法
7、同位素相对丰度的计算法 Beynon表法同位素相对丰度的计算法同位素相对丰度的计算法有机物的大部分常见元素都由非单一的同位素组成，因此，分子离子或碎片离子峰都常以同位素峰簇的形式存在。例：质谱图不会只出现最丰同位素峰u 同位素峰一般质量数大于分子离子同位素峰一般质量数大于分子离子u 同位素峰的强度取决于同位素的种类和丰度同位素峰的强度取决于同位素的种类和丰度u 根据同位素峰簇强度比可以估计该元素的个数根据同位素峰簇强度比可以估计该元素的个数同位素峰同位素峰 由于天然同位素的存在，因此在质谱图上出现由于天然同位素的存在，因此在质谱图上出现M+1，M+2等峰，由这些同位素所形成的峰称之为同等峰，由
8、这些同位素所形成的峰称之为同位素峰。位素峰。对对一一种种元元素素，用用a,b分分别别代代表表其其天天然然丰丰度度，n为为分分子子或或碎碎片片中中所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例：含三个碳原子的有机物例：含三个碳原子的有机物同位素峰强度符合同位素峰强度符合 规则规则对两种不同元素组成的分子或离子，其同位素丰度相对比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：值的计算公式：（a1+b1）n1(a2+b2)n2若分子式为CXHYNZOW，
9、简化上式后，其同位素离子峰(M+1)+和(M+2)+与分子离子峰的强度比分别为：RA(M+1)/RA(M)100=1.1x+0.37zRA(M+2)/RA(M)100=(1.1x)2/200+0.2 wM+1峰主要由峰主要由13C、15N贡献贡献M+2峰主要由峰主要由13C2、18O贡献贡献以上均忽略以上均忽略2H、17O的丰度贡献的丰度贡献 若化合物中含硫原子，则上式分别改写为：RA(M+1)/RA(M)100=1.1x+0.37z 0.8sRA(M+2)/RA(M)100=(1.1x)2/200+0.2 w 4.4s例例1：计计算算化化合合物物C8H12N3O的的M+1，M+2峰峰相相对对
10、于于M+峰峰的的强度。强度。因为：因为：RA(M+1)%=1.1 8+0.016 12+0.38 3+0.04 1=10.31%RA(M+2)%=1.21 82/200+0.20 1=0.597%因此，因此，RA(M+):RA(M+1):RA(M+2)=100:10.31:0.597只含只含 C,H,O,N 的的 M+2 峰很弱，峰很弱，可忽略。可忽略。但含但含 Br,Cl,S 的的 M+2 却很强却很强 自然丰度大自然丰度大M/(M+2)Cl:3:1 Br:1:1 对对于于含含有有Cl,Br 等等同同位位素素天天然然丰丰度度较较高高的的化化合合物物，其其同同位位素素离离子子峰峰相相对对强强度
11、度可可由由（a+b)n展展开开式式计计算算，其其中中a、b分分别别为为该该元元素素轻轻重重同同位位素素的的相相对丰度，对丰度，n 为分子中该元素的原子个数。为分子中该元素的原子个数。CH3Cl：因为，：因为，a=3,b=1,n=1,因此因此(3+1)1=3+1 即即m/z50(M):m/z52(M+2)=3:1CH2Cl2：因为，：因为，a=3,b=1,n=2,因此因此(3+1)2=9+6+1,即即m/z84(M):m/z86(M+2):m/z88(M+4)=9:6:1CHCl3：因为：因为a=3,b=1,n=3,因此，因此，(3+1)3=27+27+9+1 即即m/z118(M):m/z12
12、0(M+2):m/z122(M+4):m/z124(M+6)=27:27:9:1对于含有两种或以上的杂原子对于含有两种或以上的杂原子，则以，则以（a1+b1)n1(a2+b2)n2 表示。表示。ClCH2Br:(3+1)1(1+1)1=3+4+1 (35Cl,37Cl;79Br,81Br)即：即：m/z128(M):m/z130(M+2):m/z132(M+4)=3:4:1 50 5231几率几率84 86 88961118 120 122 124272791CH3ClCHCl3CH2Cl2(a)2-氯丙烷氯丙烷M+78M+2 80 (M+2)/M 1:3(b)2-溴丁烷溴丁烷M+136M+2
13、 138 (M+2)/M 1:11.首先识别分子离子峰及其同位素峰簇2.再利用公式推算CNO数目，最后用氢补齐分子量3.最后看分子式是否合理（分子量、氮律、不饱和度等）同位素相对丰度的计算法求算分子式解题步骤同位素相对丰度的计算法求算分子式解题步骤例例1：化合物的质谱图及数据见下，推导其分子式。：化合物的质谱图及数据见下，推导其分子式。P19C4H11N例例3：化合物的质谱见下图及下表，推导其分子式。：化合物的质谱见下图及下表，推导其分子式。P21例例2：化合物的部分质谱数：化合物的部分质谱数据及质谱图，推导其分子据及质谱图，推导其分子式。式。P62C2H2Cl2练习：练习：由化合物A、B质谱
14、图中高质荷比区的质谱数据，推导其可能的分子式。A：m/z 60(5.8)61(8.7)62(100)M+63(4.8)64(31)65(0.71)B：m/z 60(9.0)61(19.0)62(100)M+63(3.8)64(4.4)65(0.09).A:C2H3ClB:C2H6S2、高分辨质谱法、高分辨质谱法(HRMS)利用高分辨质谱可测得精确分子量。精确分子量是由组成分子利用高分辨质谱可测得精确分子量。精确分子量是由组成分子的各元素天然丰度最大的同位素（即最轻同位素）的精确质量。的各元素天然丰度最大的同位素（即最轻同位素）的精确质量。例：C2H4 和 CO的常规分子量均为28C2H4：12
15、2 1.00784 28.0312CO：121 15.99491 27.9949 精确分子量：精确分子量：（计算值）（计算值）若 m/z(HRMS)：28.0318（实测值）（实测值）则说明为C2H4。高分辨质谱能精确测量到小数点后第三位，第四位为估计值。许多元素存在同位素。最轻同位素许多元素存在同位素。最轻同位素 天然丰度最大天然丰度最大最大丰度同位素最大丰度同位素 分子离子峰分子离子峰 M+同位素同位素离子峰离子峰 M+1 或或 M+2 峰峰第二节第二节 有机物质谱裂解机理有机物质谱裂解机理一、基础知识1、电荷自由基定位理论、电荷自由基定位理论有机分子中，电离能量高的电子首先被电离。n *
16、能量同一周期中，原子电离顺序为N O F当不知分子中具体电离位置时，可用M.表示。2、电子转移的表示、电子转移的表示单电子转移用 单钩“”对电子转移用双钩 “3、键的断裂方式、键的断裂方式1、单电子转移发生的裂解反应称均裂2、对电子转移发生的裂解反应称异裂.二、质谱离子断裂方式1、简单断裂、简单断裂2、重排断裂、重排断裂1、简单断裂（、简单断裂（、i、）自由基引发的断裂（自由基引发的断裂（断裂）断裂）最重要最重要a、含饱和杂原子的化合物b、含不饱和杂原子的化合物c、含键的化合物 e电荷引发的断裂（电荷引发的断裂（i 断裂）断裂）与与 i 断裂互相断裂互相竞争争烷烃的断裂（烷烃的断裂（断裂）断裂
17、）.2、重排（、重排（脱掉中性分子脱掉中性分子）麦氏（麦氏（Mclafferty）重排反应）重排反应 具有以下结构通式的化合物，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。醛、酮、羧酸、酯都可发生麦氏重排，产生特征质谱峰。.经四员环过渡态的重排经四员环过渡态的重排逆逆DielsAlder反应（反应（RDA）发生裂解而形成碎片离子）发生裂解而形成碎片离子u 含原双键的部分带正电荷的可能性大些芳环的邻位效应芳环的邻位效应邻位取代基经过六元环过渡态氢的重排，失去中性小分子。邻位取代基经过六元环过渡态氢的重排，失去中性小分子。.例：骨架
18、的复杂断裂骨架的复杂断裂.偶电子规则偶电子规则OE.OE.中性分子EEEE 自由基EE 中性分子分子离子峰为奇电子离子峰，根据氮律：（同位素峰除外）不含氮的化合物，M 的m/z为偶数；其质谱图中m/z为偶数的峰也为奇电子离子峰。含氮化合物，则非常复杂。若含奇数氮，其M的m/z为奇数；其质谱图中m/z为奇数的峰未必是奇电子离子峰。同样，若含偶数氮，其M的m/z为偶数；其质谱图中m/z为偶数的峰未必是奇电子离子峰。.偶电子规则对于判断碎片峰的归属非常重要。例：例：N（C2H5）3 M.=101验证验证：偶电子规则 奇偶电子离子与质量关系第二章 有机质谱质谱概述质谱仪及其原理有机化合物的质谱反应及机
19、理各类化合物的质谱特征有机化合物质谱解析生物质谱技术及联用技术烷烃烷烃：出现一系列CnHn+1峰：29，43，57，71等，其中43，57丰度强。一一.烃类烃类烯烃烯烃：出现一系列CnH2n-1峰：41，55，69，83等，其中41为烯丙基正离子，强度最大芳烃芳烃：m/z 91苄基正离子卓正离子m/z 77酚酚异构化异构化二二.羟基化合物羟基化合物 脂肪醇类脂肪醇类 分子离子峰很小，有时测不出来，醇容易脱水并易生 a 开裂。酚类酚类 分子离子峰较强，易失去 CO 而形成丰度强的碎片离子。四四.羧酸和酯类化合物羧酸和酯类化合物 裂解方式主要是 a 开裂。三三.羰基化合物羰基化合物 羰基化合物的分
20、子离子峰较强。脂肪酮化合物以 a 开裂为主。芳酮化合物一般发生 a 开裂，生产特征基峰，进一步脱去 CO 生产 C7H7 特征峰。醛类化合物有强的分子离子峰和较强的 M 1 峰。五五.胺类化合物胺类化合物 脂肪胺脂肪胺 分子离子峰很弱，主要发生 a 开裂。生成强的亚胺正离子峰M 1 峰。芳胺芳胺 分子离子峰很强，易形成 M 1 峰和 M HCN 的碎片离子。第二章 有机质谱质谱概述质谱仪及其原理有机化合物的质谱反应及机理各类化合物的质谱特征有机化合物质谱解析生物质谱技术及联用技术一、一、分子量的测定分子量的测定分子失去一个电子而生成分子离子，其质荷比就等于分子量。因此，利用质谱测定分子量非常简
21、便，但要注意有时分子离子峰很弱甚至不出现，而有时由于同位素的原因，质谱中出现M+1、M2等峰。可通过软电离辅助。二、二、分子式的确定分子式的确定根据质谱图确定分子式可采用：同位素丰度法和高分辨质谱法。从质谱图推测化合物的结构，一般可以按照以下顺序进行：1.确定分子离子峰，从分子离子峰的强弱初步判断是哪类化合物；2.分子离子的质量是奇数还是偶数；3.是否有明显的同位素峰；4.初步提出化合物分子式，并计算出其不饱和单位数；5.对碎片离子峰进行分析，根据质谱图中主要的代表分子不同部位的碎片离子峰，粗略推测化合物的大致结构；6.以所有可能方式把各部分结构单元连接起来，再利用质谱数据和其它数据，将不合理
22、的结构排除掉。三、三、推测化合物的结构推测化合物的结构例1：分子式为C6H12O的酮(A)，其质谱图如下，试确定结构。推导出分子式即可。四、质谱的应用四、质谱的应用1、有机物（包括生物大分子）结构表征2、天然产物分析3、与色谱联用4、研究主客体相互作用本部分要求本部分要求当当EI谱中未出现谱中未出现M峰时，可通过什么方法测试？峰时，可通过什么方法测试？.降低降低EI离子源的轰击电压离子源的轰击电压 70 ev 15 ev改用软电离技术，如改用软电离技术，如CI、ESI、FAB等等降低样品的汽化温度，以减少分子离子近一步裂解的可能性。降低样品的汽化温度，以减少分子离子近一步裂解的可能性。衍生化法。比如羧酸衍生成酯后，再做质谱。衍生化法。比如羧酸衍生成酯后，再做质谱。一、二、P62页练习页练习1、2例：例：N（C2H5）3 M.=101验证验证：偶电子规则 奇偶电子离子与质量关系三、