有机质谱中的裂解反应

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有机质谱中的裂解反应
研究有机质谱裂解反应的实验方法
1. 亚稳离子法 2.同位素标记法 同位素标记法
有机质谱裂解反应机理 裂解方式: 简单开裂; 裂解方式 简单开裂 重排开裂
1. 简单断裂
从化学键断裂的方式可分为均裂、 从化学键断裂的方式可分为均裂、异裂和半异裂 (σ键先被电离 然后断裂 。 σ键先被电离, 然后断裂)。 均裂
(3)σ- 断裂 )
当化合物不含杂原子、也没有键时, 断裂。 当化合物不含杂原子、也没有键时,只能发生 σ-断裂。
与分子结构的关系
(a) 有利于稳定碳正离子: 有利于稳定碳正离子:
+ .
.
+
+
.
(b) 有利于共轭体系的形成
(c) 当分子中存在杂原子时,裂解常发生于邻近杂原子的 C-C 键上 当分子中存在杂原子时,
(d) 有利于形成稳定的中性小分子 象H2O,CO,NH3,ROH等) 有利于形成稳定的中性小分子(象 , , 等
2.重排反应 重排反应
同时涉及至少两根键的变化, 同时涉及至少两根键的变化,在重排中既有键的 断裂也有键的生成。 断裂也有键的生成。 生成的某些离子的原子排列并不保持原来分子结 构的关系,发生了原子或基团的重排。 构的关系,发生了原子或基团的重排。 质量奇偶不变,失去中性分子。 质量奇偶不变,失去中性分子。
4. 羰基化合物的裂解
自由基引发的均裂及正电荷诱导的异裂。 自由基引发的均裂及正电荷诱导的异裂。
5. 逆 Diels-Alder 反应( retro- Diels-Alder ) 反应(
6. 氢的重排反应
1) Mclafferty 重排 )
2)自由基引发或正电荷诱导,经过四、五、六元环过渡氢的重排 )自由基引发或正电荷诱导,经过四、
在CnH 2n+1的系列峰中,一般m/z 43、57峰的相 2n+1的系列峰中 的系列峰中, 43、57峰的相 对强度较大。 对强度较大。分子离子峰的强度则随其相对分子 质量的增加而下降,但仍清晰可见。 质量的增加而下降,但仍清晰可见。
4 3 5 7 2 9 1 5 7 1 8 5 9 9 1 1 3 1 4 2 m /z
各类有机化合物的质谱
1. 烷烃
直链烷烃: )显示弱的分子离子峰。 直链烷烃:1)显示弱的分子离子峰。 2)由一系列峰簇组成,峰簇之间差14个单位。 )由一系列峰簇组成,峰簇之间差 个单位 个单位。 (29、43、57、71、85、99…) 、 、 、 、 、 ) 3)各峰簇的顶端形成一平滑曲线,最高点在C3或C4。 )各峰簇的顶端形成一平滑曲线,最高点在 4)比 M+. 峰质量数低的下一个峰簇顶点是 M-29。 ) - 。 而有甲基分枝的烷烃将有 M-15,这是直链烷烃 - , 与带有甲基分枝的烷烃相区别的重要标志。 与带有甲基分枝的烷烃相区别的重要标志。
O CH3 C O+ 裂 离子化 CH C Hα -裂解 H 3 CH3 C O+ + H 43
-e
or
O+ CH3 C H
α
-裂解 裂
CH3 + H C O+ 29
或叫正电荷诱导裂解) (2)i-断裂 (或叫正电荷诱导裂解 ) 断 或叫正电荷诱导裂解 由正电荷(阳离子)引发的碎裂过程。 由正电荷(阳离子)引发的碎裂过程。它涉及 两个电子的转移。 两个电子的转移。
H 3 C C H2 C H2 H 3 C C H2 C H2 H C O H C H3 m /z = 4 5 (M -4 3 )
H
H C O H C H3
C H3 H H 3 C C H2 C H2 C O H m/z=73(M-15) C OH
H 3 C C H2 C H2
C H3 m /z=87(M-1)
• C4H9 > •C2H5 > •CH3
支链烷烃的分子离子峰明显下降, 支链烷烃的分子离子峰明显下降,支化程度高的烷烃检 测不到分子离子峰。 测不到分子离子峰。
环烷烃: )由于环的存在,分子离子峰的强度相对增加。 环烷烃:1)由于环的存在,分子离子峰的强度相对增加。 2)常在环的支链处断开,给出 CnH2n-1 峰, )常在环的支链处断开, 也常伴随氢原子的失去, 峰较强。 也常伴随氢原子的失去,因此该 CnH2n-2 峰较强。 (41、55、56、69…) 、 、 、 ) 3)环的碎化特征是失去 C2H4 =28(也可能失去 C2H5). ) ( 4)具有环己基和环戊基结构的化合物,分别在83和69 )具有环己基和环戊基结构的化合物,分别在 和 处出现显著的峰。 处出现显著的峰。
4. 醇 : 1)分子离子峰弱或不出现。 )分子离子峰弱或不出现。
2) Cα-C β 键的裂解生成 31+14 n 的含氧碎片离子峰。 ) 的含氧碎片离子峰。 + 伯醇: + 仲醇: + 叔醇: + 伯醇:31+14 n ; 仲醇:45+14 n ; 叔醇:59+14 n 3)脱水:M-18 的峰。 )脱水: - 的峰。 4)似麦氏重排:失去烯、水;M-18-28 的峰。 )似麦氏重排:失去烯、 - - 的峰。 5)小分子醇出现 M-1 的峰。 ) - 的峰。
5.3.3有机化合物的一般裂解规律 有机化合物的一般裂解规律
1. 偶电子规律
偶电子离子裂解,一般只能生成偶电子离子。 偶电子离子裂解,一般只能生成偶电子离子。
2. 烃类化合物的裂解
优先失去大基团,优先生成稳定的正碳离子。 优先失去大基团,优先生成稳定的正碳离子。
3.含杂原子化合物的裂解(羰基化合物除外) 含杂原子化合物的裂解(羰基化合物除外) 含杂原子化合物的裂解
常见的有麦克拉夫悌(Mclafferty)重排开裂 简称麦 重排开裂(简称 常见的有麦克拉夫悌 重排开裂 简称麦 氏重排)和逆 氏重排 和逆Diels-Alder 开裂 和逆 麦氏重排
具有γ 氢原子的側链苯 烯烃、环氧化合物、 氢原子的側链苯、 具有γ-氢原子的側链苯、烯烃、环氧化合物、醛、酮等经 过六元环状过渡态使γ 转移到带有正电荷的原子上 转移到带有正电荷的原子上, 过六元环状过渡态使γ-H转移到带有正电荷的原子上,同时在 α、β原子间发生裂解,这种重排称为麦克拉夫悌重排裂解。 原子间发生裂解,这种重排称为麦克拉夫悌重排裂解。 麦克拉夫悌重排裂解
6. 醚
脂肪醚: )分子离子峰弱,但比醇高; 脂肪醚: 1)分子离子峰弱,但比醇高; 2) α –裂解及碳 碳 σ 键断裂,生成系列 CnH2n+1O 的 ) 裂解及碳-碳 键断裂, 裂解及碳 含氧碎片峰。( 、 、 含氧碎片峰。(31、45、59…) 。( ) 3)ί-裂解,生成一系列 CnH2n+1 碎片离子。 ) -裂解, 碎片离子。 (29、43、57、71…) 、 、 、 )
正癸烷
100 % O F BASE PEAK 90 80
m/z=43 C3 C4 m/z=57
n-Hexadecane
70 60 50 40 m/z=29 C2 30 20 10 m/z=85 C6 99 169 183 197 C7 113 127 141 155 C8 C C C1 1 C1 2 C1 3 C1 4 10 9 C5 m/z=71
来自百度文库
环状结构的裂解反应
对于环状结构的化合物, 对于环状结构的化合物,分子中必须有两个键断裂才能产生一个 碎片。因此, 碎片。因此,环的裂解产物中一定有一个奇电子离子
-e
+
m/z 84
(OE )
m 56 /z
O
i
O
α
H 2C O
+
(OE )
m/z 56
2. 烯烃
1)由于双键的引入,分子离子峰增强。 )由于双键的引入,分子离子峰增强。 2)相差14的一簇峰,( +14 n)41、55、69、83…。 )相差 的一簇峰,(41+ 的一簇峰,( ) 、 、 、 。 3)断裂方式有 β 断裂;γ-H、六元环、麦氏重排。 ) 断裂; 、六元环、麦氏重排。 4)环烯烃及其衍生物发生 RDA 反应。 ) 反应。
C H3 (C H 2 )14C H
M 226
3
m/z=226
M C1 6
0
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210220230
支链烷烃: )分枝烷烃的分子离子峰强度较直链烷烃降低。 支链烷烃:1)分枝烷烃的分子离子峰强度较直链烷烃降低。 2)各峰簇顶点不再形成一平滑曲线,因在分枝处易 )各峰簇顶点不再形成一平滑曲线, 断裂,其离子强度增加。 断裂,其离子强度增加。 3)在分枝处的断裂,伴随有失去单个氢原子的倾向, )在分枝处的断裂,伴随有失去单个氢原子的倾向, 离子。 产生较强的 CnH2n 离子。 4)有 M-15 的峰。 ) - 的峰。
支链烷烃的断裂,容易发生在被取代碳原子上。 支链烷烃的断裂,容易发生在被取代碳原子上。 这是由于在正碳离子中,稳定性顺序如下: 这是由于在正碳离子中,稳定性顺序如下:
> > >
R
3
C
+
R
2
CH
+
RCH
+
2
CH
+
3
通常,分支处的长碳链将最易以游离基形式首先脱出。 通常,分支处的长碳链将最易以游离基形式首先脱出。 脱去游离基的顺序是: 脱去游离基的顺序是:
逆Diels-Alder 开裂
具有环己烯结构类型的化合物可发生此类裂解, 具有环己烯结构类型的化合物可发生此类裂解,一般形 成一个共轭二烯正离子和一个烯烃中性碎片: 成一个共轭二烯正离子和一个烯烃中性碎片:
碎片离子及裂解机制的应用 (1)可以对一个具体的有机化合物的质谱进行解释 ) (2)可以鉴定化合物。 )
O
+
i-碎裂 碎
CH3CH2+ + OCH2CH3
* i-碎裂一般都产生一个碳正离子。 碎裂一般都产生一个碳正离子。 * 对于没有自由基的偶电子离子,只可能发生 i-碎裂。 对于没有自由基的偶电子离子, 碎
断裂与i-断裂是两种相互竞争的反应 α-断裂与 断裂是两种相互竞争的反应。 断裂与 断裂是两种相互竞争的反应。 N 一般进行α-断裂;卤素则易进行 i-断裂 一般进行α 断裂 断裂; 断
3. 高分辨质谱法 可测得化合物的精确分子量 如: C5H14N2O3 150 150.1004 C6H14O4 150 150.0892 低 高
高分辨质谱可分辨质荷比相差很小的分子离子或碎片 离子。 离子。如CO和N2分子离 子的m/z均为28,但其准确 质荷比分别为28.0040和27.9949,高分辨质谱可以识别它 们。
41
3.芳烃 芳烃
1)芳烃类化合物稳定,分子离子峰强。 )芳烃类化合物稳定,分子离子峰强。 2)有烷基取代的,易发生 Cα-C β 键的裂解,生成的苄基离子往 )有烷基取代的, 键的裂解, 往是基峰。 + --苄基苯系列 往是基峰。91+14 n--苄基苯系列。 --苄基苯系列。 3)也有 α 断裂,有多甲基取代时,较显著。 断裂,有多甲基取代时,较显著。 ) 4)四元环重排; 有 γ-H,麦氏重排; RDA 裂解。 裂解。 )四元环重排; ,麦氏重排; 5)特征峰:39、51、65、77、、 、91、92、93 )特征峰: 、 、 、 、、 、、78、 、
异裂
半异裂: 半异裂: X
Y
X+ . Y
X+
+
.Y
简单开裂从裂解机制可分为以下主要三种: 简单开裂从裂解机制可分为以下主要三种: (1) α-裂解 ) 裂解 由自由基引发的、由自由基重新组成新键而在α 由自由基引发的、由自由基重新组成新键而在α位导致碎裂的过程称为α 裂解 位导致碎裂的过程称为α-裂解。 碎裂的过程称为 裂解。
4 (M 3 5 -4 ) 5 [M 5 -(H O C 3)] 2 + H 7 (M 2O 0 -H ) 7 (M H ) 3 -C 3 8 (M ) 8 M -1 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 /z 9 0 m
5.酚(或芳醇) 酚 或芳醇)
1)分子离子峰很强。苯酚的分子离子峰为基峰。 )分子离子峰很强。苯酚的分子离子峰为基峰。 2)M-1 峰。苯酚很弱,甲酚和苯甲醇的很强。 ) - 苯酚很弱,甲酚和苯甲醇的很强。 3)酚、苄醇最主要的特征峰: M-28 (- ) 苄醇最主要的特征峰: - (-CO) ) M-29(- - (- (-CHO) )
胺、醇、醚、硫醇、硫醚类化合物,主要是自由基位置引 硫醇、硫醚类化合物, 发的C 键裂解( 断裂, 发的 α-C β间的 σ 键裂解(称 α -断裂,正电荷在杂原子上) 断裂 正电荷在杂原子上) 和正电荷诱导的碳-杂原子之间 键的异裂( 异裂), ),正 和正电荷诱导的碳-杂原子之间σ 键的异裂(称 i-异裂),正 电荷发生位移。 电荷发生位移。
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