有机质谱原理及应用

第五章：质谱法测定分子结构1有机质谱原理及应用第五章：质谱法测定分子结构(II),大分子第五章：质谱法测定分子结构2方法：ESI和MALDI两种电离方法。对象：带有官能团的可溶解高分子。1988年，Tanaka，最早报道聚乙烯醇(PEG)，~22,000。1992年，Danis，MALDI，聚丙烯酸和聚苯乙烯磺酸，~30,000。M.Karas&F.HillenkampMALDI，聚苯乙烯~70ku，PEG~40ku。1996年，C.Fenselau，聚苯乙烯~1500ku。§5.1高聚物质谱分析第五章：质谱法测定分子结构3一、质谱方法分析高聚物的特点1、人工合成高聚物的复杂性合成高分子是混合物，分子量是一种分布。不同的引发和终止反应所得的高分子有不同的端基。在随机共聚物中，高分子链的组成呈现某种化学分布。在嵌段共聚物中存在着不同的嵌段长度和顺序。非线性高分子，如环状、支链和树枝状高聚物。2、质谱分析高聚物的特色样品用量少、耗时短、速度快。仪器分辨率高．使单体分析和端基分析成为可能。直接测定绝对分子量，而不是相对分子量，精度高于光散射和膜渗透方法。测定分子量时，不需要标准品或Mark-Houwink常数。由分子量分布可获得聚合反应的链增长常数。第五章：质谱法测定分子结构4二、MALDI-TOF方法测定高聚物影响因素1、基质基质的作用：•从激光脉冲中吸收能量。要求：基质对激光光源必须有很强的吸收。•使被测分子分离成单分子状态。要求：基质和被测高分子具有很好的相容性，同时不能有强的分于间的相互作用。•使用不同种类的激光(IR，UV)电离，需要用不同类型的基质。紫外激光解离的基质蒽三酚和银盐的混合是分析聚苯乙烯的首选，但是这个混合物不稳定，见表格。红外激光解离的基质YAG激光(3.27m，相当于3050cm-1)激发C-H的伸缩振动。应用于UV-MALDI的基质也可用于IR-MALDI。第五章：质谱法测定分子结构5MatricesPolymersHydrophilic2,5-dihydroxybenzoicacidPolypropyleneglycol-Cyano-hydroxycinnamicacidPolyvinylacetateFerulicacidPolytetramethyleneglycolIndoleacrylicacidPolymethylmethacrylateDithranolPolystyrenealltrans-RetinoicacidPolybutadieneDiphenylbutadienePolydimethylsiloxaneHydrophobic红外激光与紫外激光电离的比较：红外激光有较强的穿透能力，一次红外激光照射能够解吸更多的样品，因此在一个样品点上获得的质谱图较少，要经常更换激光照射点。红外激光的脉冲较长。一般在10～20s，而通常的紫外激光的脉冲约在3～5s，这导致了IR-MALDI的分辨率较差。一般来讲，紫外激光器更适于分析合成高分子，红外激光器可用于一些卤代高分予的分析。基质的选取：极性相似原则！常见基质的极性比较第五章：质谱法测定分子结构6基质Mr/cm-1(at337nm)PA(kJ/mol)2,5-DHB1540.79105-841~866854±14854±16-CHCA1890.79105-841933±9766±8芥子酸(SA)2241.10105-887894±13蒽三酚226-874±8IAA187-900±16HABA242-943766±8UV-MALDI基质的理化性质第五章：质谱法测定分子结构72、盐效应高分子测定过程中的阳离子化不是质子转移反应，而是金属离子与高分子发生阳离子化反应，形成加合的高分子正离子。一般用Na+、K+等作为加合离子。有时不需要特别加入这些金属，亦可以得到加合的正离子，这是由于容器上的Na+或K+所致。具有杂原子的合成高分子，在加钠盐、钾盐后产生加合金属阳离子的正离子。聚醚、聚酯、聚丙烯酸酯、聚酷胺等。没有杂原子的非极性合成高分子，如聚苯乙烯、聚丁二烯、聚异戊二烯在加入银盐或铜盐后能够成功的离子化，这些金属阳离于与高分子中的双键发生了作用。没有杂原子和双键的合成高分子．如聚乙烯和聚丙烯目前仍较难被MAIDI分析，因为它们的金属阳离子结合能极低。第五章：质谱法测定分子结构83、样品制备简单混合法：在使用一个特定的样品制备方法时，必须先选择适用于基质、样品和阳离子化盐的溶剂，最理想的情况是使用一种溶剂．这样可以减少样品在靶上结晶时分层的危险。然而，盐类几乎不溶于用于非极性合成高分子的有机溶剂。一般来讲，盐可以先溶于一个中间溶剂．如丙醇中，然后再用用于基质和样品的溶剂稀释。制备样品时，应选择适当的溶剂、合适的浓度及配比，才能获得较好的结果。电喷雾法一个很有前途的样品制备方法是电喷雾沉积法，比起传统的干点甚或薄层法，电喷雾法的优点在于它可以形成小而均匀的结晶体。电喷雾沉积法制得样品的点点之间重复性好，并且信号强度较大，层式的电喷雾效果更好一些。压片法对于不溶的高分子样品，如聚氨酯和大的多环芳香化台物，发展了一砷新的制样方法—压片法．即将样品和基质按一定比例混合后用球磨机研磨均匀，压成薄片进行MALDI-TOF-MS分析。第五章：质谱法测定分子结构9三、MALDI-TOF方法测定高聚物的应用1、分子量的测定及分子量的分布计算公式：nwiiiiwiiinMMPDMnMnMnMnM/2当分子量的分散度小于1.2时．可获得符合Poisson分布的质谱图，与GPC的结果一致。Mn：数均分子量Mw：重均分子量PD：分布常数ni：第i个寡聚物的相对丰度Mi：第i个寡聚物的质量PS2800的MALDI-TOF质谱图PEG2000的MALDI-TOF质谱图第五章：质谱法测定分子结构10PEG3100的MALDI-TOF质谱图PS29ku的MALDI-TOF质谱图聚合物数均分子量Mn重均分子量Mw分子量分布PD测定方法PS4600046760473191.01MALDI-TOF42000435001.03GPCPS7000073914745181.01MALDI-TOF66000675001.03GPCPEG1260012426124921.01MALDI-TOF11843123201.04GPCPEG23020022115221051.01MALDI-TOF20240212281.06GPCMALDI-TOF-MS方法与GPC方法所测分予量的比较第五章：质谱法测定分子结构112、末端基分析SSNNC10H21C10H21n][SNNR[]nR=C6H13C8H17C10H21123含有联吡啶的共轭高分子结构聚合物的MALDI-TOF质谱(a)IAA为基质,(b)IAA为基质。并加入细AgTFA第五章：质谱法测定分子结构12高分子化合物3(n=5)，环状寡聚物的实验结果(左)和理论同位素分布(右)(a):[(C28H32N2S)5+H]+(b):[(C28H32N2S)5+Ag]+选取2142.1u的单同位素峰来计算端基的质量。重复单元的质量是428.2,代入2142.1/428.2＝5，即428.25＝2141。这个峰的质荷比等于5个重复单元加1个质子比时带上的氢原子的质量，因此可以椎测这个系列的高分子为环状高分子．没有端基。第五章：质谱法测定分子结构13NNNOC2H5NClNOC2H5NNNHHCl[]nNNNOC2H5NClNOC2H5NNNHHOH[]nNNNOC2H5NHONOC2H5NNNHHOH[]nNNNOC2H5ClClH2NNH235u+158u+H+237u6=1616u35u+140u+H+237u6=1598u17u+140u+H+237u6=1580un=6一种寡聚物的MALDI-TOF质谱分析两种单体：三嗪聚胺的MALDI-TOF的质谱第五章：质谱法测定分子结构143、高分子混合物分析用MALDI分析不同种类的高分子混合物的文章很少．也许是因为离子化效率的显著不同和其他一些歧视固素。例如二两种窄分布的标准品PS10200和和PMMA9200分别溶解在THF中，以几种体积比混合，接着以IAA为基质加甲酸钠或以蒽三酚为基质加三氟乙酸银。在第一套实验方案中，PS和PMMA的体积比从0:1增加到199:1，基质是IAA/Na，也就是对PMMA是最佳条件，试验结果十分令入惊奇，甚至PMMA是以05％的不纯物存在干PS中，质谱图仍然是PMMA的[M＋Na]+峰为主要峰。在第二套实验中，PS和PMMA的体积比从1:0到1:9，基质是蒽三酚/Ag．也就是PS的最优化条件。在所有混合物实验中，PMMA是主要离子，而PS仅以相对干PMMA为10%的峰出现，质谱图上主要是PMMA的峰。当然，这种有利于PMMA的歧视效应也许可以用来检测PS中中痕量的PMMA．但是从这些结果中也可看出，用MALDI分析高分子混合物还要走很远的一段路。第五章：质谱法测定分子结构154、嵌段型高分子分析嵌段共聚物之中嵌段和组成分布对于聚合物的最终性能有重要的影响。MALDI-TOF-MS也可以成功地应用于嵌段型高分子的研究。Dams等人用MALDI分析了-甲基苯乙烯和乙烯基吡啶的嵌段共聚物。Wilezek-Vera等MALDI-TOFMS与1HNMR相结合，对苯乙烯/-甲基苯乙烯嵌段共聚物进行研究，测定了该共果物的组成分布和嵌段长度，我们研究组研究了荣乙二醇和聚苯乙烯的嵌段共聚物。用MALDI/TOF测得的分子量和以GPC测定的结果参见表。从表中可以青出，对干这类窄分布的高分子化合物，MALDI/TOF所得结果与GPC法所得结果比较接近。但是MALDI/TOF法更加迅速、方便，具有显著的优越性。MnMwPD共聚物GPC357737561.05No.1MALDI/TOF320735601.11共聚物GPC571963481.11No.1MALDI/TOF614265281.06GPC法和MALD/TOFMS法测得的分子量比较第五章：质谱法测定分子结构16§5.2药物的质谱分析一、生物活性物质分析1、天然产物分析各种提取物的分析，HPLC/MS联用分析RootsLeaves,Bark+SolventFilterConcentrateLC-MSnWherearetherebiologicallyactivecompounds?第五章：质谱法测定分子结构17Methanolic根部提取物024681012141618202224262830Time(min)0102030405060708090100RelativeAbundance11.9411.088.703.172.0718.0213.4618.5414.0718.8316.9219.0015.1319.421.60•水-甲醇梯度•0.25mL/min,C-18Column•20uL进样LC-UV(215nm)第五章：质谱法测定分子结构18LC-MS,基峰离子流图2468101214161820Time(min)05101520253035404550556065707580859095100RelativeAbundance9.494.814.5817.8811.896.7219.0819.553.1617.0114.3913.692.1415.408.1010.8720.026.257.975.093.5421.421.07UnknowOOOHOHOOHOHOHOH•水-甲醇梯度•0.25mL/min,C-18Column•20uL进样第五章：质谱法测定分子结构19300350400450500550600m/z58010203040501000102030405060708090RelativeAbundance473.1493.7460.8386.5300.2487.1400.3RT:9.21-9.61AV:8NL:1.28