质谱分析的原理与方法

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键都可裂解,概率相差无几;
e、环醚裂解脱去中性碎片醛。
醛、酮
特征:
a、羰基化合物氧原子上的未配对电子很容易被轰去 一个电子,醛酮的M峰明显,芳香族的M峰比脂肪 族的更强一些;
b、脂肪族醛酮中,主要碎片峰是由McLafferty重排 裂解产生的离子;(M-44强峰)
c、醛酮能在羰基碳发生裂解; d、碎片离子峰M-18(H2O),M-28(CO)有利于醛的鉴
同位素离子峰一般出现在相应分子离子峰或碎片离子峰的右 侧附近,m/e用M+1,M+2等表示。
碎片离子
亚稳离子 多电荷离子
质谱的分析和应用
各类化合物的质谱
烷烃
特征:a、直链烷烃的M常可观察到,其强度随相对分 子质量增大而减小;
b、M-15峰最弱,长链烃不易失去甲基;
c、直链烷烃有典型的CnH+2n+1离子,其中m/z 43(+C3H7)和m/z 57(+C4H9)总是很强(基准峰,很 稳定);枝链烃往往在分枝处裂解形成的峰强度较 大(仲或叔正离子),且优先失去最大烷基使得 CnH+2n+1 和CnH+2n离子明显增加;
a、脂肪硝基化合物一般不显M峰;
b、由于形成NO2+和NO+的缘故,强峰出现在 m/z=46及30;
c、高级脂肪硝基化合物一些强峰是烃基离子, 另外还有γ-H的重排引起的M-OH、M(OH+H2O)和m/z=61的峰;
d、芳香硝基化合物显出强的M峰,此外显出 m/z=30( NO+)及M-30、M-46、M-58等峰。
HX、M-H2X峰和M-R峰。

特征:(裂解方式与醇相似)
a、脂肪醚的M很弱,芳香醚的M较强;增大样 品用量或增大操作压力,可使M及M+1峰增 强;
b、脂肪醚主要有三种裂解方式(Cα-Cβ键裂 解、O-Cα键裂解、重排α裂解);
c、芳香醚只发生O-Cα键裂解; d、缩醛是一类特殊的醚,中心碳原子的四个
分子离子峰必要的、但非充分的条件:
1、它必须是图谱中最高质量端的离子(分子 离子峰的同位素峰及其络合离子除外);
2、它必须是奇电子离子; 3、它必须能够通过丢失合理的中性碎片,产
生图谱中高质量区的重要离子。
分子离子峰与碎片峰的区分:
1、注意质量是否符合氮元素规则; 2、注意该峰与邻近峰之间的质量差是否合理
(一般认为质量差为4-14,21-25,37,38, 50-53,65,66等是不合理的丢失); 3、注意M+1峰(醚、酯、胺、酰胺、氨基酸 酯和胺醇等); 4、注意M-1峰(醛、醇或含氮化合物)。
实现分子离子峰的方法:
1、降低冲击电子流的电压,使其能量低到化 合物的离解能附近,以避免由于多余的能量 使分子离子进一步裂解;
定;
e、环状酮可能发生较为复杂的裂解(但仍以酮基α 裂解开始)。
羧基
特征: a、脂肪羧酸的M峰一般可察出,最特征的峰为
m/z=60峰,由McLafferty重排裂解产生; b、芳香族羧酸的M峰相当强,M-17,M-45峰
也较明显。
羧酸酯
特征:
a、直链一元羧酸酯的M峰通常可观察到,且随 相对分子质量的增高(C6)而增加,芳香羧 酸酯的M峰较明显;
分子离子和碎片离子之间的质量差
氮规则:在分子中只含C,H,O,S,X元素时,相对 分子质量Mr为偶数;若分子中除上述元素外还 含有N,则含奇数个N时相对分子质量Mr为奇数, 含偶数个N时相对分子质量Mr为偶数。
[氮规则] 当分子中含有偶数个氮原子或不含氮原子时,分子量应为偶数; 当分子中含有奇数个氮原子时,分子量应为奇数。
2-methylbutane
CH3CHCH2CH3 +
CH3 m/e 72
+
CH3CHCH2CH3 + CH3 m/e 57
Neopentane
CH3
+
CH3 C CH3
CH3 m/e 72
CH3 CH3 C+ +
CH3 m/e 57
CH3
某胺类化合物其质谱图上于m/e30处有一强峰,试问其结构 可能为下列化合物中的哪一个?
b、胺最重要的峰是Cα-Cβ裂解得到的峰,大 多数情况得到基准峰;
c、脂肪胺和芳香胺可能发生N原子的双侧α裂 解;
d、胺类极为特征的峰是m/z=18(+NH4)峰; e、胺基的Cα-Cβ裂解,会产生m/z为30、44、
58等的重排峰。
酰胺
特征:a、酰胺的M峰(含一个N原子的为奇数 质量)一般可观察到;
g、环己醇类的裂解将包括氢原子转移,较复杂。
酚和芳香醇的特征:
a、和其他芳香化合物一样,酚和芳香醇的M峰 很强,酚的M峰往往是它的基准峰;
b、苯酚的M-1峰不强,而甲苯酚和苄醇的M-1 峰很强,因为产生了稳定的鎓离子;
c、自苯酚可失去CO 、HCO。
卤化物
特征: a、脂肪族卤化物M峰不明显,芳香族的明显; b、氯化物和溴化物的同位素峰非常特征; c、卤化物质谱中通常有明显的X、M-X、M-
d、环烷烃的M峰一般较强;环开裂时一般失去含两 个碳的碎片,出现m/z 28(C2H4)+.,m/z 29(C2H5)+ 和M-28、M-29的峰。
烯烃
特征:a、烯烃易失去一个π电子,其分子离 子峰明显,强度随相对分子质量增大而减弱;
b、烯烃质谱中最强峰(基准峰)是双键β位 置Cα-Cβ键断裂产生的峰,带有双键的碎片 带正电荷;
CH3 m/e 137 (M+)
CH3CH2CH2COOH m/e 88 (M+)
NO2
试判断下列化合物的分子离子峰的质荷比是偶数还是奇数?
(i) CH3I (ii) CH3CN (iii) C2H5NH2 (iv) H2NCH2CH2NH2 (v) N H
Fra Baidu bibliotek
同位素离子
含有同位素的离子称同位素离子。
质谱的应用
例:某化合物的质谱数据:M=181,PM%=100%
P(M+1)%=14.68% P(M+2)%=0.97%
查[贝诺表]
分子式
M+1
M+2
(1) C13H9O
14.23
1.14
(2) C13H11N 14.61
0.99
(3) C13H25
14.45
0.97
(4) C14H13
15.34
c、带有正丙基或丙基以上侧键的芳烃(含γH)经McLafferty重排产生C7H8+.离子 (m/z=92);
d、侧键α裂解发生机会很小,但仍有可能。
羟基化合物
醇的特征:a、分子离子峰很微弱或者消失,但易 发生离子反应,生成络合离子M+H,这对判定相对 分子质量有利;
b、所有伯醇(甲醇除外)及高相对分子质量仲醇和 叔醇易脱水形成M-18峰(应和M峰区分开);
2、制备容易挥发的衍生物; 3、降低加热温度,防止化合物高温分解; 4、对于一些相对分子质量较大难以挥发的有
机化合物,若改用直接进样法而不是加热进 样法,往往可以使分子离子峰强度增大;
5、改变电离源。
质谱解析
由质谱图的高质量端确定分子离子峰,确定化合物分子量; 查看分子离子峰的同位素峰组,由M+1、M+2的丰度,查看 确定未知化合物的分子式; 由组成式计算化合物的不饱和度,确定化合物中环和双键的数 目; 对分子峰或其他碎片峰丢失的中性碎片进行分析(与中性碎片 表对照),根据各类化合物质谱特征,确定可能含有哪些官能 团; 配合UV、IR、NMR和化学方法等提出试样的结构式。 不饱和度 = 四价原子数 – 一价原子数/2 + 三价原子数/2 +1
质谱的基本原理
质谱裂解表示法
正电荷表示法 电荷转移表示法
共价键断裂方式:均裂、异裂、半异裂
裂解方式和机理
1、α(自由基)与σ(阳离子自由基)碎裂
2、i碎裂(正电荷) 3、γH重排(游离基)
4、γd过程 实例
质谱中的离子
分子离子
M + e-
M +. + 2e-
m/e: 质荷比
最大峰
质谱
Mass Spectroscopy
Main Points
质谱简介 质谱的表示方法 质谱的基本原理 质谱的分析与应用
质谱简介
分子受到裂解后,形成带正电荷的离子, 这些离子按照其质量m和电荷z的比值m/z (质荷比)大小依次排列成谱被记录下来, 成为质谱(MS)。
红外光谱(拉曼光谱):原子(基团) 紫外光谱:外层电子(共轭结构) 核磁共振谱:原子核(分子骨架) 质谱:离子(碎片信息)
LC—MS(液相色谱—质谱联用仪) Liquid Chromatograph—Mass Spectrometer
质谱表示方法
Abscissa: m/e (mass charge ratio) 横坐标:质荷比
Y—coordinate: ion—current intensity 纵坐标:离子流强度
Absolute intensity (各种离子流强度的百分数之和为100%) Relative intensity (最强峰为100%)
c、烯烃往往发生McLafferty重排裂解,产生 CnH2n离子;
d、环己烯类发生逆向狄尔斯阿尔德裂解; e、无法确定烯烃分子中双键的位置。
芳烃
特征:a、分子离子峰明显,M+1和M+2可精确 量出,便于计算分子式;
b、带烃基侧键的芳烃常发生苄基型裂解,产 生Tropylium ion m/z=91(往往是基准峰); 若基准峰的m/z比91大n×14,则表明苯环 α-碳上另有甲基取代;
1.09
根据“氮规则”、M=181,化合物分子式为(2)。
+
CH3CH2CH2CH2CH2CH3
CH3CH2CH2CH2CH2+ + CH3 m/e 71
CH3CH2CH2CH2+ + CH2CH3 m/e 57
CH3CH2CH2+ + CH2CH2CH3 m/e 43
CH3CH2+ + CH2CH2CH2CH3 m/e 29
b、羧酸酯羰基碳上的裂解有两种类型,其强 峰(有时为基准峰)通常来源于此;
c、由于McLafferty重排,甲酯可形成m/z=74, 乙酯可形成m/z=88的基准峰;
d、二元羧酸及其甲酯形成强的M峰,其强度随 两个羧基的接近程度增大而减弱。二元酸酯 出现由于羰基碳裂解失去两个羧基的M-90峰。

特征:a、脂肪开链胺的M峰很弱,或者消失; 脂环胺及芳胺M峰明显;含奇数个N的胺其M 峰质量为奇数;低级脂肪胺芳香胺可能出现 M-1峰(失去·H);
b、酰胺最重要的碎片离子峰(往往为基准峰) 是羰基α裂解产物;
c、长链脂肪伯酰胺能在羰基的Cβ-Cγ间发生 裂解,产生较强的峰m/z=72(无重排)或 m/z=73(有重排);
d、四个碳以上的伯酰胺产生m/z=44的强峰, 其来源于羰基的α裂解或N得Cα-Cβ 裂解, 与胺的裂解类似。
硝基化合物
特征:
c、开链伯醇当含碳数大于4时,可同时发生脱水和脱 烯,产生M-46的峰;
d、羟基的Cα-Cβ键容易断裂,形成极强的m/z 31峰, m/z 45峰,m/z 59峰,用于醇类的鉴定;
e、在醇的质谱中往往可观察到m/z 19(H3O+)的强 峰(无重要意义);
f、丙烯醇型不饱和醇的质谱有M-1强峰,这是由于发 生形成共轭离子的裂解;
质谱的特点
应用领域广:
质谱仪种类:同位素、无机、有机
样品:无机物、有机化合物、高分子材料(裂 解)
(气体、液体和固体)
应用:化合物结构分析、测定原子量与相对分 子 量、同位素分析、定性和定量化学分析、 生产过程监测、环境监测、生理监测与临床 研究、原子与分子过程研究、表面与固体研 究、热力学和反应动力学研究、空间探测与 研究等。
CH3 (A)
CHCH2CH2NH2
CH3
CH3 (B) CH3CH2CNH2
CH3
分子式为C6H12O的酮的质谱图如下, 试确定酮(A)的结构。 (A)
化合物(A) 较强的离子峰 m/e 100, 85, 72, 57, 43
灵敏度高:微克级样品 有机质谱仪绝对灵敏度为50pg(pg为1012g) 无机质谱仪绝对灵敏度为10-14g
分析速度快,可多组分同时检测 仪器结构复杂,价格昂贵
质谱仪
质谱仪的结构
进样系统 离子源 质量分析器 检测器和记录器
GC—MS(气相色谱—质谱联用仪) Gas Chromatograph—Mass Spectrometer
质谱的解析
确定分子离子峰和化合物分子量的测定 确定分子离子峰可能遇到的难题:
1、分子离子峰不稳定,在质谱上不出现。 芳香环(包括芳香杂环)>脂环>硫醚、硫酮>
共轭烯、直链烷烃>酰胺>酮>醛>胺>酯>醚> 羧酸>枝链烃>伯醇>叔醇>缩醛(胺、醇化合 物质谱中往往见不到分子离子峰)
2、有时分子离子峰一产生就与其它离子或分 子相碰撞而结合,变为质量数更大的络合离 子。
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