第四章质谱.

波谱学授课教师：解庆范副教授化学与生命科学学院选修课第四章质谱第四章质谱化合物在高真空中受热汽化，气态分子受一定能量的电子流轰击以后，失去一个价电子成为带正荷的离子，称为分子离子，并进一步碎裂为碎片离子。这些带正电荷的离子在电场和磁场综合作用下，按照质荷比（质量与电荷比=m/e，用m/z表示）大小，依次排列所成的谱图，叫做质谱图（MS）。其所用的仪器称为质谱仪。研究质谱的科学称为质谱学。根据质谱图提供的信息可进行有机物、无机物的定性和定量分析，复杂化合物的结构分析，同位素比的测定及固体表面的结构和组成分析。质谱法的原理发现较早，1913年汤姆逊（ThomsonJ.J.）制成了第一台质谱装置，但直到40年代质谱仪仍仅仅用于气体分析和同位素的测定。从50年代末，才开始利用质谱测定有机物的分子结构，至今质谱仪已成为近代化学实验室的标准仪器之一。一、原理质谱法的基本原理是有机物在离子源中发生电离，生成不同质荷比（m/z）的带正电荷离子，经加速电场的作用形成离子束，进入质量分析器，在其中再利用电场和磁场使其发生色散、聚焦，获得质谱图，从而确定不同离子的质量，通过解析，可获得有机化合物的分子式，提供其一级结构信息。第一节质谱法的基本原理不同质核比的离子，在磁场中是如何被分离的呢？若离子初始能量为0，在加速电压的作用下，离子动能Ek为：Ek＝zeU=1/2mv2式中z为离子电荷数，e为单位电荷电量(1.6×10－19)，U为加速电压（v），m为离子质量，v为离子运动速度。加速离子进入分析器后，离子受磁场力Bzev作用，其运动轨迹发生偏转，作圆周运动，其离心力mv2/r与磁场力平衡，即有：mv2/r＝Bzev式中B为磁感应强度，r为圆周半径。r=(2Um/ze)1/2/B或m/z=(r2B2e)/2U－－磁分析器质谱仪方程式中z一般为1。由式可见，当加速电压和磁场不变时，不同质核比的离子其运动半径不同，从而获得分离。二、质谱的表示方法目前常用的表示方法是条图法。横坐标代表质荷比(m/z)，纵轴表示相对强度（%）。三、质谱仪的主要性能指标分辩率，灵敏度，质量范围一、进样系统1、间隙进样系统适用于气体、液体或中等蒸气压的固体样品。2、直接探针进样适用于高沸点的液体或固体。3、色谱进样系统第二节质谱仪电子轰击电离源产生的离子流稳定性好，电离效率高，故该方法灵敏度较高，而且此方法再现性好，便于计算机检索及相互对照，所以应用广泛。缺点是对相对分子量太大或稳定性差的样品分子，常常得不到分子离子峰。其作用原理可表达成M+e-=2e-+M+，即高速电子从样品分子M中撞击出一个电子，而形成了分子离子M+，在电子轰击中形成的分子离子往往具有很高的内能，而使一些化学键断裂或引起重排，以瞬间速度裂解成多种碎片离子（正离子）。二、离子源离子源的作用是样品分子转变为离子。使分子电离的方法很多,因此有各种各样的离子源,现介绍常见的四种:1、电子轰击电离源（EI）:EI是由电子直接与样品分子作用，使分子电离。它是应用最普遍，发展最成熟的电离方法。2、化学电离源（CI）在化学电离时，样品分子的电离是经过离子——分子反应完成的。因此化学电离源需要使用反应试剂，如氢、甲烷、氦、CO、NO等。该法常常与电子轰击电离源配合使用。若以CH4作反应气，对M样品进行反应。第一步，在电子轰击下，反应气体电离，有：化学电离源特点是准分子离子峰很强，即使不稳定有机物也可得到。其次是图谱简化。属于软电离技术。第二步，生成的CH+5,C2H5+与样品分子M反应有：反应生成离子也可能再分解：检测(M+H)+，(M-H)+，A+，B+四种离子，可得样品质谱图。3、快速原子轰击电离源（FAB）快原子轰击电离是20世纪80年代以来应用广泛的软电离技术。它由原子枪和靶组成。含样品的基质涂布在金属靶上。基质是一类具有低蒸汽压、有流动性、呈现化学惰性，并对样品有很好的溶解能力的极性溶剂。如甘油、聚乙烯醇等。原子枪产生快原子束，当靶受到数千电子伏特能量的快原子轰击时，部分能量将靶物中的样品分子蒸发，并解离成离子。4、激光解吸电离源（LDI）LDI是利用一定波长的脉冲激光，在一个微小的区域内，在极短的纳秒级时间间隔，对含被测样品的靶物提供高能量，对热敏感的化合物或不挥发的化合物，可从固相直接得到离子，获得质谱图。极快的加热可以避免热敏感的化合物分解。此法的优点是可使难电离的样品分子电离。获得的质谱图有分子离子峰，准分子离子峰及样品聚集的多电荷离子峰，而碎片离子峰较少。5、其它：电感耦合等离子（ICP）电离，电喷雾ESI）电离和热喷雾（HIS），场电离（FI）等。三、质量分析器：质量分析器又称质量分离器，是将离子源中生成的各种正离子按质核比大小分离的部件。重要的质量分析器有：1、四极滤质器：主要优点是结构简单，体积小，质量轻，价格便宜，清洗方便，操作容易。只使用电场便可实现快速扫描。最适合与气相色谱仪联用。其缺点是分辨率不高。2、离子阱：是一种通过电场或磁场将气相离子控制并储存一段时间的装置，它结构简单，性能价格比高，体积小，便于串接制成MS/MS二次质谱仪。灵敏度高，质量范围大。缺点是所得质谱图与标准谱图有一定差别。3、飞行时间分析器：是一种将离子通过无场作用下的漂移方式得到分离的分析器。它最大优点是扫描速度快；其次是质量检测上限没有限制，可用于高质量的离子分析；再次是体积小，质量轻，结构简单，操作方便。缺点是分辨率低。四、检测及记录：解析质谱图，必须区别各种类型的质谱峰，研究峰的形成过程、变化规律及其与分子结构的关系。第三节质谱图中的离子峰的类型1、分子离子峰分子失去一个电子而生成的正离子称为分子离子或母离子，相应的质谱峰称为分子离子峰或母峰。分子离子标记为M+•，“+”表示有机物分子M失去一个电子而电离，“•”表示失去一个电子后剩下未配对的电子。具有未配对电子的离子，称为奇电子离子，这样的离子同时又是自由基，具有较高的反应活性。分子离子峰是除同位素峰外，质量数最大的质谱峰，位于质谱图的高质荷比端。分子离子质量对应于中性分子的质量，因此可用其确定相对分子质量。几乎所有的有机化合物都有可以产生可以辨认的分子离子峰，其稳定性决定于分子结构。芳香族、共轭烯烃及环状化合物的分子离子峰强，而相对分子质量大的烃、脂肪醇、醚、胺等则分子离子峰弱。2、准分子离子峰准分子离子峰是指分子获得一个质子或失去一个质子，记为[M+H]+、[M-H]+。其相应的质谱峰称为准分子离子峰。准分子离子不含未配对的电子，结构比较稳定，常由软电离技术产生。3、碎片离子峰在离子源中，当提供分子电离的能量超过分子解离所需的能量时，原子之间的一些键还会进一步断裂产生质量数较低的碎片，称为碎片离子。相应的质谱峰称为碎片离子峰。广义的碎片离子指分子离子碎裂而产生的一切离子，而狭义的碎片离子仅指由简单碎裂而产生的离子。4、重排离子峰分子离子在碎裂的同时，可能发生某些原子或原了团的重排，生成比较稳定的重排离子，其结构与原来分子的结构单元不同。其在质谱图上相应的峰称为重排离子峰。例如，链状卤化物重排成环状：5、亚稳离子峰离子在离开电离源，尚未进入接受器前，在中途任何地方发生碎裂变成亚稳态离子，它在质谱图上的峰，称亚稳离子峰。在质谱图中亚稳离子峰呈现在离子峰的左边，强度弱，峰宽，其质核比往往不是整数。6、同位素离子峰组成有机化合物的元素，常见的约十几个，除P、F、I以外，其他元素大都存在着两种以上的同位素，因而质谱图会出现强度不等的同位素离子峰。各种元素的最轻同位素的天然丰度最大，因此与相对分子质量有关的分子离子峰M+，是由最大丰度同位素产生的。生成的同位素离子峰往往在分子离子峰右边1或2个质量单位处出现M+1或M+2峰，构成同位素离子峰簇，其强度比与同位素的丰度比相当。7、多电荷离子分子失去两个或两个以上电子的离子称为多电荷离子。第四节有机化合物的碎裂一、碎裂方式：1、均裂：指碎裂键的两个电子分别在每个碎片上，即X－YX•+Y•2、异裂：指碎裂键的两个电子归属与某一个碎片，即X－YX+Y3、半异裂：指碎裂离子化的键的一个电子转移，即X•＋YX•+Y＋需要注意的是，碎裂后的正电荷一般都在杂原子上或在不饱和化合物的键系统上。若正电荷位置不清楚时可以用二、碎裂的引发机制：碎裂反应是通过分子离子M+•发生的，丢失电子将按n程序进行。1、碎裂：是由自由基的强烈的电子配对倾向引发的，称为自由基引发。例如含饱和杂原子化合物：2、i碎裂：它由诱导效应，即正电荷引发碎裂。例如醚：碎裂的倾向与自由基处原子的给电子能力相关，其顺序为NS、O、不饱和键、烷基ClBrI。i碎裂是一对电子发生转移，使原来带电荷位置发生转移。在i碎裂时顺序是卤素O、SN、C。3、碎裂：它发生在不含O、N等杂原子，或没有键的化合物中，是由键形成正离子自由基时发生的碎裂。例如烷烃：化合物发生何种碎裂，实际上是碎裂反应的相互竞争，一般讲碎裂重要性大于i碎裂。三、简单碎裂的一般规律：简单碎裂是指分子中仅断开一个化学键，碎裂反应的产物是分子中原来存在的结构。(1)、对于含杂原子的化合物，连接杂原子的－C上的另一键发生碎裂，另一键相连的可以是C,H或其他杂原子，键断裂时，正电荷常在含杂原子一侧。如：杂原子和碳原子之间的单键断开，大多是烷基一侧带正电荷，例如：(2)、与碳原子不饱和键或芳环、杂芳环相连的C-C键易断裂。又例如：再例如：四、重排：(1)、麦克拉佛特(McLafferty)重排：当不饱和基团及碳上有氢原子存在时，氢原子经六元环的电子转移，发生重排。通式为：(2)、失去中性分子重排：烷基碎片离子可失去氢分子，如C3H+7C3H+5+H2。某些含杂原子的化合物，失去中性分子，如醇失去水或失水及乙烯、卤化物失卤化氢、腈化物失去HCN、硫醇失去H2S。苯环衍生物也容易失去中性小分子碎片。(3)、第五节常见有机化合物的质谱一、烃类1、饱和脂肪烃：直链烷烃的质谱比较特征，如：（1）可以看到分子离子峰M+，其强度随分子量增大而减小，一般看不到M—15，直链烷烃不易失去甲基。（2）主要峰都有间隔14n，即相差—CH2，这些离子都是奇数质量偶数电子的离子，可用通式CnH2n+1+表示。其中C3H7+和C4H9+离子峰m/z=43、57最强质量数低的下一个峰簇的顶点，直链烷烃在M－29，而甲基分支的烷烃在M－15。直链2、烯烃：碎裂形成的CH2=CHCH2+（m/z=41）为基峰，并有明显的一系列41+14n（n=1，2，……）峰。3、芳烃：产生的分子离子峰强。烷基芳烃中m/z=91（C7H7+）峰为基峰，芳环α位上碳原子被取代，基峰变成91+14n。当烷烃基碳数大于等于3时发生氢原子重排，且失去一个中性分子，成m/z=92峰。二、羟基化合物1、脂肪醇：分子离子峰很弱或不存在,特别在长链脂肪醇中。出现（M-18）+和（M-46）+峰，由于失去一分子水18，又伴随失去一分子乙烯（18+28）。脂肪醇往往发生α碎裂，较大体积的基团优先失去。如图5.2.3，m/Z=224为CH3（CH2）14CH2OH分子失去一个分子水，196为再失去一分子乙烯。2、酚和芳香醇：酚的分子离子峰很强。失去CO或CHO基团生成（M-28）+或（M-29）+峰。甲基取代酚失去一个甲基氢原子，再碎裂失去CO或CHO；2-烷基取代酚常出现（M-18）+峰。芳香醇的碎裂类似于烷基取代酚，同时也有（M-2）+或（M—3）+峰。例如苯甲醇：三、羰基化合物1、酮类：分子离子峰强。α碎裂，以失去较大烷基碎片的概率大。例如：（R1R）长链烷基基团碎裂产生(43+14n)系列碎片离子，发生麦克拉佛特重排。芳香酮有强分子离子峰，其峰来自以下碎片。2、醛类：C1~C3醛中发生稳定CHO+离子m/z=29基峰，高碳直链醛会形成（M-29）+峰，并有麦克拉佛特重排发生，形成44+nCH2系列峰。醛分子离子峰也会丢失水分子和乙烯分子。此外，芳香醛易生成苯甲酰正离子（m/z=105）。四、醚类脂肪醚α碎裂形成45+1