第一章 质谱法

第一章 质谱法 (MS)气态分子受一定能量的电子流冲击后，失去一个电子而成为带正电荷的离子M+，叫 分子离子。分子离子继续裂解成不同的正离子。这些阳离子在电场和磁场的综合作用下， 按照其质量数m和电荷数Z的比值(m/z,质荷比)大小依次排列成谱被记录下来，称为质谱。 1.2 质谱裂解表示法:质谱裂解反应可以用裂解反应式表达。1.2.1 正电荷表示法偶电子离子(EE，ion of even electrons)用“+”表示， 奇电子的离子(OE, ion of odd electrons)用“+”表示。正电荷一般留在分子中杂原子、不饱和键n电子系统和苯环上，如： 苯环电荷可表示为：判断裂片离子含偶数个电子还是奇数个电子，有下列规律，由C、H、O、N组成的离子,N为偶数(零)个时，偶质量数离子则必含奇数个电子;奇质 量数离子的则必含偶数个电子。(CH3)3C-| +(m/Z 57)(CH3)4Ci +(m/Z 72)由 C、 H、 O、 N 组成的离子， N 为奇数时，偶质量数离子则必含偶数个电子;奇质量数 离子的则必含奇数个电子。CH2=NH2 n +(m/Z 30)CH3CH2NH2-1 + (m/Z 45)1.2.2 电子转移表示法 共价键的断裂有下列三种方式:1.3 裂解方式及机理 离子裂解应遵循下述“偶电子规则” ： 奇电子离子f偶电子离子+游离基(一般由简单裂解得到) 奇电子离子f奇电子离子+中性分子(一般重排裂解得到) 偶电子离子f偶电子离子+中性分子(一般重排裂解得到) 偶电子离子f奇电子离子+游离基(一般简单裂解得到)最后一个反应非常罕见1.3.1 影响离子丰度的主要因素： 峰的强度反映出该碎片离子的多少，峰强表示该种离子多，峰弱表示该种离子少。 影响离子丰度的主要因素有：1. 键的相对强度：首先从分子中最薄弱处断裂，含有单键和复键时，单键先断裂。最弱的是 C-X型(X= Br、I、O、S)，该键易发生断裂。2. 产物离子的稳定性：这是影响产物离子丰度的最重要因素。产物的稳定性主要考虑正离子， 还要考虑脱去的中性分子和自由基。稳定的正离子一般来说可以是由于共轭效应、诱导效应和共享邻近杂原子上的电子使 正电荷分散的缘故。脱去稳定的中性分子的反应也容易进行。如在含杂原子的化合物中主要的离子稳定形式是杂原子中未成键轨道的电子共享，如乙酰 基离子：或共振稳定，如烯丙基阳离子非常稳定：3原子或基团相对的空间排列（空间效应）： 空间因素影响竞争性的单分子反应途径，也影响产物的稳定性。象需要经过某种过渡态的 重排裂解，若空间效应不利于过渡态的形成，重排裂解往往不能经行4. Stevenson 规则：在奇电子离子经裂解产生游离基和离子两种碎片的过程中。有较高的电 离电势（IP）的碎片趋向保留孤电子，而将正电荷留在电离电势（IP）较低的碎片上。5. 最大烷基的丢失：在反应中心有多个烷基时，最易失去的是最大烷基游离基 。1.3.2 质谱裂解方式1.简单开裂 一个共价键发生断裂。如按照McLafferty的观点，简单裂解的引发机制有三种：a.自由基引发（a裂解），发生均裂或半异裂，反应的动力是自由基强烈的配对倾向； b电荷引发的裂解（诱导裂解，i裂解），发生异裂，其重要性小于a裂解；c没有杂原子或不饱和键时，发生C-C键之间的o-断裂，第3周期以后的杂原子与碳之间 的C-Y键也可以发生o -断裂。在有机化合物中的简单开裂如：（A）饱和烃：只能发生o -键断裂，因此这种断裂也称为o断裂。 由奇电子离子裂解，得到一个偶电子离子和一个游离基。（B）不饱和烃和芳烃：在含双键的化合物中，在双键的Ca -Cp键断裂经常发生a裂解，得到一个烯丙基正 离子，这种开裂称为烯丙基开裂。含侧链的芳烃，在侧链的Ca -Cp键也常常发生类似的a裂解，称为苄基裂解：（C）含有孤对电子的杂原子化合物： 正电荷游离基优先定位于杂原子上，再引发一系列裂解反应。如果发生的是半异裂或均裂称为a断裂；如果发生的是异裂（一对电子转移）就称为 诱导断裂：当X=SR, SiR3或OR时，可发生a-断裂：当乂=卤素，OR、,SR时，可发生i-断裂：由正电荷引发的异裂裂解反应用符号i-（inductive）来表示。可分为奇电子离子型和偶电子离子型。裂解通式如下：含杂原子的化合物最易发生的是“均裂”为特征的a开裂： 在简单开裂中，当可能丢失的几个基团具有类似的结构时，总是优先丢失较大基团 而得到较小的正离子碎片，（即“最大的烷基游离基优先失去”原理）：在简单开裂中，若失去的是一个自由基，则一个奇电子离子开裂得到一个偶电子离 子，电子的奇偶性在反应前后不一致。若失去一个中性分子，开裂前后离子相同。 2重排开裂：在共价键断裂的同时，有氢原子的转移。一般有二个键发生断裂，少数情况下发生有碳 骨架重排。一般重排开裂前后离子电子奇偶性不发生变化（并不完全都是这样）。（1） 游离基引发的重排反应：A） Y -H重排到不饱和基团上并伴随发生Cp -Ca断裂：典型的代表是麦氏重排,可表示如下： 当满足下列二个条件时，便可发生麦氏重排，（a）含有重键。（b）与重键相连的Y - C上有氢原子。可产生这样重排的化合物有酮、醛、酯、酸、酸酐和其它含羰基的衍生物、碳酸酯、磷酸 酯、亚硫酸酯、亚胺、肟、腙、烯、炔、腈和苯环化合物由单纯开裂或重排产生的碎片离子，如果符合麦氏重排的两个条件，也能发生麦氏重排：(B) 氢原子重排到饱和杂原子上并伴随邻键断裂的裂解：一个氢原子转移到杂原子上。发生一个电荷定位引发的反应，即杂原子的一个键断裂形成 (M-HYR) +离子或HYR+离子。 可能经过六元环、四元或五元或其它环状过渡态。产生的含杂原子的碎片对电荷的争夺力 很弱，就使得电荷转移很为普遍。电荷转移反应对电负性原子团有利。电离能较高的饱和小分子，如H2O、C2H4、CH3OH、H2S、HC1和HBr,常以这种方式丢失。 酯一般容易发生麦氏重排，但有时酸部分也会发生上述重排，即在醇部分没有易动的氢原 子，酸部就脱离小分子。卤代烃(Cl、Br)通过四元、五元环过渡态，氢原子向卤素迁移，消除卤化氢： 醚、硫醚、酯和酰胺也可能发生类似的反应：具有适当结构的邻位取代苯可发生重排反应-邻位消去。 这种由于氢重排到饱和杂原子上，然后再使邻位键断裂，经常是脱去一个小分子。脱去的 小分子多是 H2O、 H2S、 NH3、 CH3COOH、 CH3OH、 CH2=C=O、 CO、 CO2、 HCN 等。这种重排前后的电子奇偶性也不变(C) 置换反应( Displacement Rearrangements ,rd)： 有人也称为取代重排。这是一种非氢重排。在分子内部两个原子或基团(常常是带游离基 的)，相互作用，形成一个新键，同时其中一个基团(或两者)的另一键断裂，在置换的同 时发生环化反应，在这一过程中会断掉一根键而形成新键： 长链硫醇和硫醚经常是通过三元环过渡态发生置换重排反应的，如己硫醚的质谱中， m/z145 离子的产生：这里，母离子与子离子的电子奇偶性不一致。(D) 消除重排(Elimination rearrangements,)： 消除重排的特点是随着基团的迁移同时消除小分子或自由基碎片，反应与氢重排相似，只 是迁移的不是氢而是一种基团，也称“非氢重排” 。在消除重排中，消除的中性碎片通常是电离能较高的小分子或自由基，如 CO、 CO2、CS2、 SO2、 HCN、 CH3CN 和 CH3 等。(2)正电荷引发的重排反应：(A)在伯、仲、叔碳原子上有OH、NH2、或SH时，要发生a-开裂，而产生的碎片离子 如果能形成四元环过渡状态，就会发生下面的重排 ：(B)由醚、硫醚、仲胺和叔胺的单纯开裂产生的鎓离子，如果含有乙基以上的烷基，会进一 步重排而脱离链烯:(C) 取代芳香化合物的正离子，可借四元环过渡态重排，失去中性分子。( 3)双氢重排： 比单纯开裂多二个质量单位的离子碎片，是因为从脱离的基团有两个氢原子转移到这 个离子上。叫双氢重排或双重重排。(B)在邻接碳原子上有适当的取代基时也发生双氢重排。 如果遇到用单纯开裂或一般重排无法解释的离子峰，就应该想到可能是由双氢重排产 生的。如果注意到双氢重排前后的碎片离子质量，就可以发现，带奇数电子的离子经重排 后得到了偶数电子的碎片离子。如：3环裂解-多中心断裂： 在复杂的分子中，裂解反应涉及一个以上的键的断裂，叫做多中心断裂。(A) 一般的多中心断裂：一个环的单键断裂只产生一个异构离子m/Z不变，要产生一个碎片离子必须断裂2个 键：其裂解产物一定是一个奇电子离子，在反应过程中未成对电子与邻近碳原子形成一个新 键，同时该a-碳原子的另一键断裂。一般的环状化合物常发生简单断裂和氢重排相互组合的多键断裂(B)逆 Diels 一 Alder 开裂(Retro Diels 一 Alder，RDA)这是以双键为起点的重排，是 Diels-Alder 反应的逆反应。在脂环化合物、生物碱、萜 类、甾体和黄酮等化合物的质谱上，经常可以看到由这种重排产生的碎片离子峰。 4.随机裂解：有机化合物在离子源中受到电子流的轰击，会按照一定的规律将有机化合物进行裂解， 类似的化合物具有类似的裂解离子碎片，这是质谱分析的基础。然而， 一些碳链化合物常 有难以解释的重排离子产生，如：C(CH3)4+一 CH3CH2 +1.4 质谱中离子的类型 阳离子一般有七种类型,即分子离子、单纯裂解离子、重排离子、络合离子、亚稳离子、同 位素离子和多电荷离子，现分别叙述如下:1.4.1. 分子离子1有机分子失去一个电子所得的离子叫分子离子，其质荷比是该化合物的分子量，用“M+。” 表示。2有机化合物分子离子都是奇电子离子。经常的简写为M。3. 位于质荷比最高位置的那一端。由它的精确质量数可计算出化合物的分子式。4. 是由各种元素的最丰同位素组成，质谱中分子量是由最丰同位素原子的质量数相加计算的。如CH3Cl,按照元素周期表上的原子量计算CH3Cl分子量为：12.01+1008X3+35.54=50.484。但已知C有同位素12C,13C； H有同位素1H,2H； Cl有同位素35Cl,37Cl。而且轻同位 素都是最丰同位素。故 CH3Cl 分子离子峰由 12C1H335Cl 组成， m/Z为 50。5 是一切碎片离子的母离子，即一切碎片离子是通过分子离子再进一步裂解得到的。写质谱 裂解反应要从分子离子写起。6. 分子离子的质量奇偶性受氮规律的支配：在分子中只含 C,H,O,S,X 元素时，分子量 M 为偶数；若分子中除上述元素外还含N,则含奇数氮时分子量M为奇数，含偶数氮时分子量M 为偶数。1.4.2. 单纯裂解离子 分子离子或其它碎片离子经过共价键的单纯开裂失去一个自由基或一个中性分子后形成的 离子即为单纯裂解离子。裂解时并不发生氢原子转移或碳骨架的改变。 一个含奇电子的离子单纯开裂后失去一个自由基得到一个含偶电子的离子碎片；若失去中 性化合物，则得到会奇电子离子 一个含偶电子的离子若单纯开裂后失去自由基碎片则得到一个含奇电子数的离子碎片，若 失去中性化合物，则得到偶电子离子。1.4.3. 重排裂解离子 离子经过重排而产生另外一个离子时，一般要脱去有偶数个电子的中性分子。 奇数个电子的离子重排时，新的离子一定含有奇数个电子；偶数个电子的离子发生重排时 新的离子含有偶数个电子。也就是说重排裂解前后母离子与子离子的电子奇偶性不变 质量奇偶性的变化与重排裂解前后母离子与子离子中氮原子的变化有关。母离子与子离子中氮原子的个数不变或失去偶数个氮原子，质量奇偶性不变；若失去 了奇数个氮原子，则质量奇偶性要变化。因此，根据离子的质量与电子奇偶性的变化就可以判断离子是否由重排产生。 1.4.4络合离子在离子源中分子离子与末电离的分子互相碰撞发生二级反应形成络合离子（ion molecule Complexes）络合离子有（M十1）峰即（M+H）。也有（M十F）+峰，（F 表示碎片离子质量数）。不要将络合离子峰误当作分子离子峰。如: 能产生络合离子的化合物是醇、醚、酯、脂肪胺、腈和硫醚。离子源中压力越高，中性分子与离子碰撞机会就越多，产生络合离子的机率也就越高。 强度随离子源中的压力改变而改变，也随离子源中推斥电压改变而改变。145.亚稳离子（metastable ion）质谱中有时会出现个别极弱的但很宽的峰（可能跨 25 个质量单位），它的质荷比不是整数。 这种峰叫亚稳离子峰。m1m2+Am质谱仪的离子捕集器测量到这个离子的质荷比不是m2,而是一个比m2小的数值m*。m* 和 m1 与 m2 的关系式是：式中m*为亚稳离子的表观质量。亚稳离子在质谱上的应用主要是用以证明m1m2这一裂分的亲缘关系。 146同位素离子很多元素含有同位素。自然界碳有12C及13C,氢有1H及氘2H。 表 1-1 一些同位素的原子量和自然含量的大约值同位素原子量12C=12.000000自然含 量%同位素原子量12C=12.000000自然含量%1H1.00782599.98529Si28.9764914.72H2.0141020.01530Si29.9737613112C12.00000098.931P30.97376310013C130033541132S31.97207495.014N14.00307499.6433S32.9714610.9715N150001080.3634S339678654.216O1599491599.835Cl34.96885575.817O169991330.0437Cl36.96589624.218O179991600.279Br78.91834850.519F1899840510081Br80.91634449.528Si2797692792.2127I126.904352100元素的同位素可分为三大类：一类是”A”，只有一个天然同位素的的元素，如：氟19F、磷31P和碘127I无天然重同位 素。另一类是”A+1”,有两个同位素元素，其中重同位素比丰度大的轻同位素重一个质量单 位；如：碳有12C、13C和氮14N、15N。再一类就是”A+2”,这类元素的最重同位素比轻同位素重两个质量单位，如：氯有35C1、 37C1；溴有 79Br、81Br 等。而Si （28Si、29Si、30Si）、S （32S、33S、34S）既有比轻同位素重一个质量单位的重同 位素，又有比轻同位素重两个质量单位重同位素由”A”元素组成的化合物质谱中不产生相应同位素峰。 氯和溴的重同位素天然丰度大，所以含有 氯和溴的分子的同位素峰相当强。 硫、硅的重同位素天然丰度较大，所以含有硫、硅的分子的同位素峰较强。 离子中如果只考虑一种元素的两种同位素，用下面的公式就可以算出大概的丰度比： （a 十 b） m式中a和b各为轻和重同位素的丰度，m为分子中该元素原子的数目。 1.4.7多电荷离子有些化合物可能失去两个电子或更多的电子而成为多电荷正离子。质谱是按照离子的 质荷比 m/Z 记录下来的，因此这类离子峰当在其质量除以电荷数的值处出现。质荷比就不 一定是整数。