1、 第四章質(zhì)譜法 （mass spectra） 質(zhì)譜：是把帶電荷的分子或經(jīng)一定方式裂解形成的碎片離子按照質(zhì)荷比大小排列而成的圖譜。 質(zhì)譜法：是根據(jù)質(zhì)譜圖提供的信息，進(jìn)行有機(jī)化合物及無機(jī)化合物定性和定量分析、化合物的結(jié)構(gòu)分析等的方法。分子量、分子式及所含結(jié)構(gòu)單元、推測(cè)出分子結(jié)構(gòu)。第1頁，共69頁。 第一節(jié)質(zhì)譜法的基本原理和質(zhì)譜儀第2頁，共69頁。單聚焦質(zhì)譜儀示意圖。e- +- +。陰極陽極狹縫容器A放大器記錄儀磁體收集狹縫D電子倍增管泵樣品探針E狹縫B控制器相對(duì)強(qiáng)度質(zhì)荷比加速電位推斥電位一、質(zhì)譜的基本原理m/z=B2re/2V第3頁，共69頁。二、質(zhì)譜的表示方法0 10 20 30 40 50 6

2、0 70 80 90 100M+1M+2基峰分子離子峰CH3(分子量92)第4頁，共69頁。三、質(zhì)譜儀（一）真空系統(tǒng)保證質(zhì)譜中裂解反應(yīng)發(fā)生的是單分子反應(yīng)。（二）樣品導(dǎo)入系統(tǒng) 是質(zhì)譜儀的進(jìn)樣系統(tǒng)，作用是高效重復(fù)地將樣品引入到離子源中并且不能造成真空度的降低。間接式進(jìn)樣、直接探針進(jìn)樣、色譜聯(lián)用進(jìn)樣系統(tǒng)。（三）離子源又稱電離室 將進(jìn)樣系統(tǒng)引入的氣態(tài)樣品分子轉(zhuǎn)化成離子，并使其具有一定的能量后，進(jìn)入質(zhì)量分析器。在離子源中，樣品分子離子化方法有多種：第5頁，共69頁。1、電子轟擊電離（EI）,又稱電子電離MMMM+F+.M+F+F+e-e-e-e-e-e-S NS NMSVacc離子排斥電極磁體陰極電子接

3、收離子聚焦M+.分子離子碎片離子及亞穩(wěn)離子M+（高速）（低速）第6頁，共69頁。電子轟擊電離（EI）的優(yōu)點(diǎn)： 有較多的與結(jié)構(gòu)密切相關(guān)的碎片，對(duì)推測(cè)未知化合物結(jié)構(gòu)具有重要意義。圖譜重現(xiàn)性好、便于利用數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)檢索及圖譜對(duì)比。 1）試樣分子穩(wěn)定性不高時(shí)，分子離子峰難以獲得，豐度較低或難以測(cè)得分子離子峰。電子轟擊電離（EI）的缺點(diǎn)： 2）不能氣化的試樣分子或熱不穩(wěn)定試樣，無法獲得分子離子峰。1、電子轟擊電離（EI）,又稱電子電離第7頁，共69頁。2、化學(xué)電離法（CI）CH4 + e CH4. + 2e CH4. + CH4 CH5 + CH3.CH5 + M CH4 + MH+ 化學(xué)電離時(shí)，試

4、樣分子的電離是經(jīng)過離子-分子反應(yīng)而完成的。+X- + M M-H- + HX 化學(xué)電離法，生成的最大m/z的峰不是分子離子峰,而是(M+H)或(M-H)峰或其它峰,這些峰被稱為準(zhǔn)分子離子峰,在計(jì)算分子量時(shí),應(yīng)注意這一點(diǎn).第8頁，共69頁。Ar+(高動(dòng)能)+ Ar(熱運(yùn)動(dòng)的) Ar (高動(dòng)能)+ Ar+ (熱運(yùn)動(dòng)的)3、快速原子轟法（FAB）進(jìn)入質(zhì)量分析器MMMMMMMH+MH+MXe探頭=基質(zhì)表面的分子快原子溶解于基質(zhì)中的試樣不銹鋼靶FAB-MS的離子源特點(diǎn): FAB質(zhì)譜不僅出強(qiáng)的準(zhǔn)分子離子峰，還產(chǎn)生大量碎片離子，這些碎片離子峰 對(duì)測(cè)定樣品的結(jié)構(gòu)是很有用的。第9頁，共69頁。 把試樣與基質(zhì)制成

5、共結(jié)晶體,用激光聚焦于試樣表面,使試樣由凝聚相解吸而形成離子.、基質(zhì)輔助激光解析電離(MALDI)+脈沖激光TOF質(zhì)量分析器與基質(zhì)共結(jié)晶的樣品離子30,000V 特點(diǎn): 通常產(chǎn)生M+H+、M+Na+、M+K+、M+峰。 使一些難電離的試樣電離，且無明顯的碎裂，得到完整的被分析物的分子電離產(chǎn)物，第10頁，共69頁。1）速電噴霧電離(ESI)、大氣壓電離(API)熱的N2真空度增加常壓區(qū)干燥的氮?dú)飧叨日婵諈^(qū)To質(zhì)量分析器真空泵噴霧3.5KV+ + + - -+ + + - -+ + + + + - -+ + + - -+ + + - -+溶劑與試樣大的帶電荷液滴濃縮帶電液滴干燥,氣態(tài)離子樣品管路2

6、-3+電噴霧試樣的電離過程ab小分子得到帶單電荷準(zhǔn)分子離子.生物大分子得到多電荷的離子在質(zhì)譜圖上得到多電荷離子簇.第11頁，共69頁。 2.大氣壓化學(xué)電離(APCI) 試樣溶液是由具有霧化氣套管的毛細(xì)管端流出,通過加熱管時(shí)被氣化.在加熱管端進(jìn)行電暈尖端放電,溶劑分子被電離.以后是化學(xué)電離過程,得到試樣分子的準(zhǔn)分子離子. 由于試樣分子氣化,大氣壓化學(xué)電離適合于弱極性的小分子化合物。 3.其它電離技術(shù) 第12頁，共69頁。（四） 質(zhì)量分析器、四極質(zhì)量分析器、U、V 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，重量輕，價(jià)格便宜，清洗方便，操作容易。 適合與氣相毛細(xì)管色譜及液相色譜聯(lián)機(jī)。 缺點(diǎn)：分辨率不夠高，對(duì)較高質(zhì)量的

7、離子有質(zhì)歧視效應(yīng)。第13頁，共69頁。 、離子阱質(zhì)量分析器、優(yōu)點(diǎn)： 1、單一的離子阱可實(shí)現(xiàn)多級(jí)串聯(lián)質(zhì)譜（MS）n。 2、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低，靈敏度高。 3、質(zhì)量范圍大。 缺點(diǎn)：所得質(zhì)譜與標(biāo)準(zhǔn)譜圖有一定差別，這是由于在 離子阱中生成的離子有較長(zhǎng)的停留時(shí)間，可能 發(fā)生分子離子反應(yīng)。第14頁，共69頁。 、質(zhì)量范圍：質(zhì)譜儀能夠進(jìn)行分析的樣品的相對(duì)原子質(zhì)量或相對(duì)分子質(zhì)量或最小到最大的質(zhì)量范圍 是接收由質(zhì)量分析器分離的離子進(jìn)行離子計(jì)數(shù)并轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)放大輸出，經(jīng)計(jì)算機(jī)采集和外理，得到按不同質(zhì)荷比值排列和對(duì)應(yīng)離子豐度的質(zhì)譜圖 （六）質(zhì)譜儀的主要性能指標(biāo) （五）離子檢測(cè)器 、靈敏度： 絕對(duì)靈敏度：儀器可以檢測(cè)

8、到的最小樣品量 相對(duì)靈敏度：儀器可以同時(shí)檢測(cè)的大組分與小組分含量之比 分析靈敏度：指輸入儀器的樣品量與儀器產(chǎn)生的信號(hào)強(qiáng)度之比第15頁，共69頁。、質(zhì)譜儀的分辨率定義為:R = M /M 所謂正好被分離，國際上大多采用10%谷底的定認(rèn)，即該兩種離子峰間的峰谷高度如低于兩峰平均高度的10%，則認(rèn)為該兩種離子已被分離，反之，則認(rèn)為未被分離。h2 h1a h = (h1+h2) / 2 100% 10%ah第16頁，共69頁。例如：質(zhì)量數(shù)為100和101兩種離子，則好被分離，儀器 分辨率為：R1001100若儀器的分辨率為10000，則該儀器分離質(zhì)量數(shù)為100附近的兩種相鄰離子時(shí)，有下列關(guān)系：1000

9、0100MM0.01 這表示該儀器可以將質(zhì)量數(shù)為100.00和100.01的兩種離子分離第17頁，共69頁。 、質(zhì)量準(zhǔn)確度又稱質(zhì)量精度： 離子質(zhì)量實(shí)測(cè)值與理論值M0的相對(duì)誤差 質(zhì)量精度0 實(shí)測(cè)值理論值員，其測(cè)定的質(zhì)量精度為第18頁，共69頁。171428151618142928161214思考題：未知化合物A的質(zhì)譜圖未知化合物B的質(zhì)譜圖未知化合物C的質(zhì)譜圖第19頁，共69頁。第二節(jié) 質(zhì)譜中的主要離子及其裂解類型一、質(zhì)譜中的主要離子（一）分子離子 M e M.+ 2e m/e = 分子量 可測(cè)的精確分子量 （二）碎片離子 M M.+ 初級(jí)碎片離子 次級(jí)碎片離子裂解裂解第20頁，共69頁。(三)亞

10、穩(wěn)離子1、亞穩(wěn)離子（m*）的產(chǎn)生 質(zhì)譜中的離子峰都是尖銳的，但也存在小數(shù)較寬的峰，且強(qiáng)度較低，m/z也不是整數(shù)值這類峰稱為亞穩(wěn)離子峰。2、如果裂解是在進(jìn)入時(shí)磁場(chǎng)發(fā)生，生成的碎片離子就會(huì)在質(zhì)荷比小于的地方被檢出1、正常的裂解是在電離室中進(jìn)行的。m1(母離子) m2(碎片離子)中性碎片3、m1、m2和m*之間的存在下列關(guān)系：m*=m22 / m1第21頁，共69頁。2、亞穩(wěn)離子峰在解析質(zhì)譜中的意義（1）亞穩(wěn)定離子在質(zhì)譜圖中可出現(xiàn)亞穩(wěn)離子峰，該峰可用來證明裂解過程。 （2）確定質(zhì)譜中沒出現(xiàn)的分子離子峰。(C6H5COCH3) (C6CH5) + COCH3(C6H5CO) (C6CH5) + CO苯

11、乙酮質(zhì)譜中有m/z120,m/z105,m/z77m/z56.47出現(xiàn)亞穩(wěn)離子峰m/z77m/z120m/z105m/z77第22頁，共69頁。（二）同位素離子1、同位素離子及同位素離子峰第23頁，共69頁。 例如：CH4 M=1612C+1H4=16 M13C+1H4=17 M+112C+2H+1H3=17 M+113C+2H+1H3=18 M+2同位素峰分子離子峰1、同位素離子及同位素離子峰1）C同位素峰M+1峰常見第24頁，共69頁。CH3CH2Cl=(M+2)/M=1:3含有一個(gè)氯原子（ 37Cl =32.5）CH3CH2Br=(M+2)/M=1:1含有一個(gè)溴原子（ 81Br =98）

12、 2)34S、37Cl、81Br豐度相當(dāng)大，分子離子或碎片離子M+2峰強(qiáng)度相當(dāng)大，所以通過M與M+2峰強(qiáng)度就容易判斷化合物是否含有S、Cl、Br 含氯和溴的有機(jī)化合物一般有較強(qiáng)的M+2、M+4、M+6等離子峰。第25頁，共69頁。分子離子或碎片離子與同位素之間的豐度比為：( a + b )na-較輕元素豐度、b-較重元素豐度、n-鹵素原子個(gè)數(shù)3）含氯和溴的化合物的同位素峰強(qiáng)度可用二項(xiàng)式展開式表示：如：CHCl3含有3個(gè)氯原子，35Cl豐度為75.4，37Cl豐度為24.6，二者豐度比為3：1，n3。(a + b)3=a3 + 3a2b + 3ab2 + b3=33+332 1+3312+13=

13、27+27+9+1即 M : M+2 : M+4 : M+6 = 27 : 27 : 9 : 1第26頁，共69頁。5-35 氯分子質(zhì)譜圖豐度90008000700060005000400030002000100000 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 1007072743537氯分子質(zhì)譜圖第27頁，共69頁。5-35 一氯甲烷質(zhì)譜圖豐度90008000700060005000400030002000100000 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90

14、 95 100151435375047一氯甲烷質(zhì)譜圖第28頁，共69頁。5-41 氯仿的質(zhì)譜圖豐度90008000700060005000400030002000100000 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200118120838587474835 氯仿的質(zhì)譜圖(同位素離子峰的相對(duì)強(qiáng)度)9:6:127:27:9:1第29頁，共69頁。5-26 溴分子質(zhì)譜圖豐度90008000700060005000400030002000100000 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1

15、00 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200160162158798179Br79Br(M)79Br81Br(M+2)81Br79Br(M+2)81Br81Br(M+4)M:(M+2):(M+4)=1:2:1第30頁，共69頁。二溴甲烷質(zhì)譜圖5-39 未知化合物質(zhì)譜圖豐度90008000700060005000400030002000100000 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200172174176959379811413-Br第31頁，共69頁。

16、練習(xí)題：化合物的MS譜圖如下，試確定其分子式，并推測(cè)其結(jié)構(gòu)，寫出裂解過程，并指出已標(biāo)明質(zhì)荷比質(zhì)譜峰的歸屬。71102未知物質(zhì)譜圖87745943m/zM(102)M+1(103)M+2(104) 相對(duì)豐度1005.640.53第32頁，共69頁。二、陽離子的裂解類型氮律（判斷奇電子或偶電子離子）： 裂解方式上采用的符號(hào)和術(shù)語：電子轉(zhuǎn)移的標(biāo)記；奇電子離子；偶電子離子。離子電荷的表示：有機(jī)化合物失去電子的難易程度：第33頁，共69頁。 X YX+Y（一）單純開裂1.均裂： XYX + Y XYX + Y .+.+或 XYX + Y.+.+. + . +.僅一個(gè)化學(xué)鍵發(fā)生斷裂稱為單純開裂。2、異裂：

17、3、半異裂： 烷烴質(zhì)譜上出現(xiàn)29,43,57系列峰，且斷裂易發(fā)生在被取代碳原子上，并以失去大基團(tuán)的開裂為優(yōu)勢(shì)開裂。第34頁，共69頁。（二）重排開裂重排開裂是兩個(gè)化學(xué)鍵發(fā)生斷裂，脫去一個(gè)中性小分子并同時(shí)發(fā)生重排的開裂。重排開裂有以下幾種情況（一）麥?zhǔn)街嘏牛ǎǎǎ? 重排開裂生成的子離子與母離子在帶電子的奇偶性和質(zhì)量的奇偶性上成一致的關(guān)系第35頁，共69頁。如： H CH2 O O H CH2 C CH2 CH2 C CH2 CH3 H2 C CH3+.+.+CH2CH2CH2CH2 .CH2H+CH2+.+.NH2COOCH2CH2NHHOCH2 H .+ m/z149 m/z107 m/

18、z86 m/z58 m/z120 m/z92HO第36頁，共69頁。（二）逆狄爾斯阿爾德開裂（RDA） 具有環(huán)已烯結(jié)構(gòu)的化合物能發(fā)生RDA開裂，一般都生成一個(gè)帶正電荷的共軛二烯醇游離基和一個(gè)中性分子。如：第37頁，共69頁。第三節(jié) 質(zhì)譜分析法一、分子式的確定（一）分子離子峰的識(shí)別1、分子離子峰的質(zhì)量必須符合氮律。 芳香化合物共軛鏈烯烯烴脂環(huán)化合物直鏈烷烴酮胺酯醚酸支鏈烷烴醇。2、有機(jī)化合物分子離子峰的穩(wěn)定性（相對(duì)強(qiáng)度）順序：第38頁，共69頁。3、分子離子峰與其相鄰質(zhì)荷比較小的碎片離子的質(zhì)量差應(yīng)合理4、分子離子峰的強(qiáng)弱與實(shí)驗(yàn)條件有關(guān)，改變實(shí)驗(yàn)條件可以增強(qiáng)分子離子峰強(qiáng)度。5、 考慮準(zhǔn)分子離子峰M

19、+1峰或M-1峰醚、脂、胺、酰胺、腈化物、氨基酸酯、胺醇等可能有較強(qiáng)的M+1峰。芳醛、某些醇等化合物強(qiáng)能有較強(qiáng)的M-1峰。第39頁，共69頁。（二）相對(duì)分子質(zhì)量的測(cè)定（三）分子式的確定1、 由同位素離子峰確定分子式2、高分辨質(zhì)譜儀精確測(cè)定相對(duì)分子質(zhì)量第40頁，共69頁。1、烴類裂解方式:（1）烷烴常見離子有CnH+2n+1,CnH+2n-1, CnH+2n 特征離子峰為29,43，57，71，85.R-(CH2)n-CH2CH2-R R.+ R-(CH2)n-CH2CH2+ CH2=CH2+ R-(CH2)n-2-CH2CH2+.二、有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)鑒定（一）幾種有機(jī)化合物的質(zhì)譜第41頁，共6

20、9頁。第42頁，共69頁。常見離子有CnH+2n-1, CnH+2n , CnH+2n+1特征離子峰為41，55，69，83.裂解方式:（）烯烴第43頁，共69頁。2）麥?zhǔn)街嘏牛ㄈ缬袣浯嬖冢┠娴覡査拱柕麻_裂第44頁，共69頁。(1)通常分子離子峰明顯,分子量增加峰減小。第45頁，共69頁。（3）芳烴通常芳烴的分子離子峰很強(qiáng)裂解方式：1、開裂（并經(jīng)重排生成卓翁離子）CH2 YY +.CH2+卓翁離子( m/z91)Y可以是烷基或雜原子出現(xiàn)穩(wěn)定的卓翁離子（通常是基峰）是苯環(huán)上有烷基取代的標(biāo)志如碳上有支鏈，則發(fā)生開裂時(shí)，將優(yōu)先脫去大的取代基常見特征離子39、51、65、77、78、91、92第46

21、頁，共69頁。第47頁，共69頁。5、脫去乙炔分子的開裂由開裂生成的卓翁離子或開裂生成的苯離子等還能繼續(xù)裂解，脫去乙炔分子：+卓翁離子( m/z91)CH CH +CH CH +m/z65 m/z39 CH CH +m/z77 m/z51 第48頁，共69頁。例：正丙苯的質(zhì)譜中，各碎片離子的裂解過程如下：第49頁，共69頁。2、飽和脂肪醇 、 一級(jí)直鏈醇分子離子峰隨分子量增加而降低。、 支鏈醇分子離子易發(fā)生裂解，優(yōu)先失去大基團(tuán)，形成氧鎓離子。 、 醇裂解過程失去中性水分子形成M-18峰，往往還伴有H重排。 、 醇類質(zhì)譜中可以觀察到M-1(比M強(qiáng))、M-2甚至M-3峰，它們是碎裂后進(jìn)一步失去H2

22、或H的過程。5、環(huán)醇類可發(fā)生下裂復(fù)雜開裂過程及失水裂解+.OHOH+.OHHHOH.第50頁，共69頁。醇類化合物主要開裂有如下幾種1、開裂2、脫水反應(yīng) 醇的開裂生成含OH的碎片離子（31，45，59等），對(duì)于伯醇生成較強(qiáng)的31離子峰而仲醇和叔醇分別生成（45，59，73等）和（59，73，87等）離子峰。3、醇的C-C鍵的簡(jiǎn)單開裂 形成系列烷基離子（29，43，57等）及含有OH的碎片離子 （31、45、59，73，87等）離子峰。第51頁，共69頁。4、醇的四元環(huán)過度態(tài)重排 當(dāng)醇C上有烷基取代時(shí)，開裂生成的離子可以通過四員環(huán)過渡態(tài)重排給出醇的小質(zhì)量系列碎片離子第52頁，共69頁。第53頁，

23、共69頁。第54頁，共69頁。醛的分子離子峰可見，芳香醛的分子離子峰較大。主要裂解方式： 與酮類化合物有類似的裂解，其特征離子峰是通過開裂脫去H游離基后生成的（M-1）峰。開裂1）醛類化合物麥?zhǔn)街嘏牛ó?dāng)H存在時(shí)） 3、醛和酮類化合物第55頁，共69頁。2)酮類化合物 脂肪酮的分子離子峰清晰可見，環(huán)酮和芳香酮的分子離子峰較大。主要裂解方式：1、開裂，伴隨脫去COCRROOCRRRCO+。2、麥?zhǔn)街嘏牛ó?dāng)H存在時(shí)） H CH2 O O H CH2 C CH2 CH2 C CH2 R H2 C R+.+.+ m/z86 m/z58第56頁，共69頁。3、復(fù)雜開裂 環(huán)酮能發(fā)生復(fù)雜開裂+.+OOOO+H

24、H4、脫CO 芳香酮能脫COO。+ CO第57頁，共69頁。4、羧酸和酯類化合物直鏈一元酸的分子離子峰較小，芳香酸的分子離子較大。裂解方式：麥?zhǔn)街嘏牛?對(duì)直鏈一元酸（C4）來說，基峰（m/z60）即為由上述麥?zhǔn)街嘏砰_裂所得的碎片離子。1）羧酸類化合物第58頁，共69頁。脫羥基及CO（-COOH）CROOCRRCO+。OHCOOH CO CO CH CH +。CnH2n+1-COOHCnH2n+1. + COOH+CnH2n+1+ + COOH . 29,43,57,71, 15+14nCnH2n. + CH2COOH+45,59,73, 45+14n第59頁，共69頁。2）酯類化合物 RCOR

25、O + . R或 C O OR a b+ 或ORC O R + + + 開裂裂解方式出現(xiàn)CnH2n+1+ 15,29,43,57,71, 15+14n離子峰。出現(xiàn)CnH2nCOOMe 73,87,101,115, 相差14個(gè)質(zhì)量的離子峰。麥?zhǔn)街嘏臨1 O+.+.+R1 OR2O HCCHR2CHR3CHR4 OCH CH CHR4CHR3第60頁，共69頁。5、胺類化合物 脂肪胺的分子離子峰較小，芳香胺的分子離子峰較大。一元胺的分子離子峰，其質(zhì)荷比為奇數(shù)。主要裂解方式：CHRNH2R（優(yōu)先失去大基團(tuán)）+。CHRNH2R+、開裂生成的亞胺離子還可能繼續(xù)重排開裂（或存在時(shí)）R+.+NH3CH2CH2 CHHCH CHCHCHCHHN麥?zhǔn)街嘏?、麥?zhǔn)街嘏臜NHm/z30+CHNH2+CH2CH2CH2CH2CH2第61頁，共69頁。H+HCN2）脫HCN芳胺能脫HCN分子，且有較強(qiáng)的（M1）峰：N