有机质谱解析

有机质谱解析

第一章 导论

第一节 引言

质谱，即质量的谱图，物质的分子在高真空下，经物理作用或化学反应等途径形成带电粒子，某些带电粒了可进一步断裂。如用电子轰击有机化合物（M），使其产生离子的过程如下：

每一离子的质量与所带电荷的比称为质荷比(m/z ,曾用m/e)。不同质荷比的离子经质量分离器一一分离后，由检测器测定每一离子的质荷比及相对强度，由此得出的谱图称为质谱

质谱分析中常用术语和缩写式如下：

游离基阳离子，奇电子离子（例如CH4 (全箭头) 电子对转移

（鱼 钩） 单个电子转移

RCαY）

α断裂 ；与奇电子原子邻接原子的键断裂（不是它们间

的键断裂）

“A”元素 只有一种同位素的元素（氢也归入“A”元素）。

“A+1”元素 某种元素，它只含有比最高丰度同位素高1amu 的同位素。 “A+2”元素 某种元素，它含有比最高丰度同位素高2 amu的同位素。 A峰 元素组成只含有最高丰度同位素的质谱峰。 A+1峰 比A峰高一个质量单位的峰。 分子离子（M

） 失去一个电荷形成的离子，其质荷比相当于该分子的分子量。

碎片离子： 分子或分子离子裂解产生的离子。包括正离子（A+）及游离基离子（A+.）。

同位素离子： 元素组成中含有非最高天然丰度同位素的离子。

亚稳离子（m*） 离子在质谱仪的无场漂移区中分解而形成的较低质量的离子。

质谱图上反应各离子的质荷比及丰度的峰被称为某离子峰。 基峰： 谱图中丰度最高离子的峰

绝对丰度： 每一离子的丰度占所有离子丰度总和的百分比，记作%∑。 相对丰度： 每一离子与丰度最高离子的丰度百分比。

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第二章 谱图中的离子

第一节 分子离子

分子离子（M+）是质谱图中最有价值的信息，它不但是测定化合物分子量的依据，而且可以推测化合物的分子式，用高分辨质谱可以直接测定化合物的分子式。

一、分子离子的形成

分子失去一个电子后形成分子离子。一般来讲，从分子中失去的电子应该是分子中束缚最弱的电子，如双键或叁键的π电子，杂原子上的非键电子。失去电子的难易顺序为：

杂原子> C = C > C — C > C — H 易 难

分子离子的丰度主要取决于其稳定性和分子电离所需要的能量。易失去电子的化合物，如环状化合物，双键化合物等，其分子离子稳定，分子离子峰较强；而长碳链烷烃，支链烷烃等正与此相反。有机化合物在质谱中的分子离子稳定度有如下次序：

芳香环 > 共轭烯 > 烯 >环状化合物 > 羰基化合物 > 醚 >酯 > 胺 > 酸 > 醇 >高度分支的烃类。

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二、 分子离子峰的判别。

通常，化合物的分子量用其所含元素的最大丰度质量来计算。假如一个纯化合物的EI质谱图中有分子离子的话，它应该出现在谱图的最高质荷比区，但是，质谱图上质荷比最高的离子不一定就是分子离子，仍需进一步检验确定，以便排除各种干扰。

为判别分子离子，前人总结了很多经验。在一个纯化合物质谱（不含本底和离子分子反应等产生的附加峰）中，作为一个分子离子必要的但非充分的条件是：

1、它必要是谱图中最高质量的离子

分子失去一个电子，形成分子离子，自然它的质量数（质荷比）应为最高。但是，某些含氧含氮的化合物，如醚，酯，胺、酰胺、氨基酸酯、氰化物等，往往在比母峰多一个质量单位处出现一个峰，称为m+1峰，这是由于分子离子在电离室碰撞过程中捕获一个H而形成的。 同样，有些分子易失去一个氢而生成M-1离子，例如，六氢吡啶的M-1峰比M峰要高得多。

在实际工作中，情况往往很复杂，例如测量误差会对低丰度元素的计算带来较大影响，使推导出的元素组成有一种以上的可能性，这样，还需结合碎片离子及其他数据综合分析。

NHM m/z 85M-1NH+m/z 84

此外，由于某些元素的重同位素的存在，质谱图中也会出现某些离子的质荷比高于分子离子的情况。对同位素离子的说名见下节。

2、分子离子必须是奇电子离子

样品分子失去一个电子而被电离成离子，因而分子离子是一个游离基离子，由于带有未成对电子，所以被称为奇电子离子（OE），用符号成过程如下：

表示。例如甲烷的分子离了形

HHCHH上式中符号

eHHCHH或CH4

只指带未成对电子的离子，并不是指另有一个电子加到所表示的分

子上。

3、含氮的有机化合物，分子离子的质荷比符含“氮规则”。

在有机化合物中常见的多数元素，其最大丰度同位素质量和价健之间有一个巧合，即除氮原子外，两者或均为偶数或均为奇数。由此可以推导出“氮规则”：假若一个化合物含有偶数个氮原子，则分子离子的质量为偶数。反之，可以推论出：含奇数个氮原子的化合物，分子离子的质量为奇数，其他有机化合物，分子离子的质量一般为偶数。

4、分子离子必须能够通过丢失合理的中性碎片，产生谱图中高质量区的重要离子。 分子离子分解过程中，通常仅有少数几种低质量中性碎片被失去。例如，饱合烷烃可以失去甲基或一个氢原子，出现质荷比为M-15及M-1的离子，但不可能失去个氢，出现质荷此为M-5的离子。通常，巧合，低质量中性碎片破失去。例如，饱合烷烃可以

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失去甲基或一个氢原子，出现质荷 比为M—15及M—1的离子，但不可能失去5个氢，出现质荷比为M—5的离子。通常，分子离子不可能失去质量为4~14和21~25的中性碎片而产生重要的峰。下图为一烷烃的图谱，每m/z 57与m/z 43的离子相距14个质量数，而完整的有机化合物分子不可能丢失一个·CH2离子，所以 m/z 57不是分子离子峰，而是由m/z 72的离子失去甲基（M—15）形成的。经过谱图解析，证明这个化合物是季戊烷[CH3—C(CH3)3]，由于它不稳定，在电子轰击下易断裂，所以没出现分子离子峰。

M-15(.CH3), M-16(O), M-17(.OH,NH3), M-18(H2O),

M-26(CN,HCCH), M-27(CHNH2.CHCH2), M-28(CO,CH2CH2), M-29(CHO,C2H5), M-30(CH2O,NO), M-31(OCH3,CH2OH), M-32(CH3OH,S,O2), M-33(CH3+H2O), M-34(H2S), M-35(CL), M-36(2H2O,HCL), M-41(C3H5),

对于不易出现分子离子的化合物，可采用其他辅助分析手段。

1、低能电子：通常EI谱的电子轰击能量为70ev，逐步降低轰击电子的能量，可以减少分子的平均内能使其碎断几率相应减少，由此提高分子离子的相对丰度。但需要注意的是，降低轰击电子能量，也就降低了所有离子的绝对丰度，使仪器灵敏度随之下降。能量过低，对辨别分子离子峰同样是不利的。

2、化学电离等软电离技术：

在化学电离条件下，样品分子与“反应气”离子在离子源中发生离子—分子反应。通常，样品分子得到一个氢或失去一个氢，得到质荷比为[M±1]的偶电子离子（OE）+，这些偶电子离了一般具有较低的内能。因此用EI得不到分子离子的化合物， 大多数在CI条件下，可以产生能指明分子量的离子。除CI外，常用的软电离技术还有FI（场电离）FD（场解吸）及FAB（快原子轰去）等。

3、测定衍生物的质谱：

用化方法把一个化合物转变为适当的衍生物来提高化合物的蒸汽压，从而得到低挥发性化合物的衍生物质谱图，如羧酸，在EI谱上，只能得到[M-COOH]的峰，将羧酸进行甲酯化反应后，得到[M-H+CH3]的峰，进而推测化合物的分子量。

第二节 同位素离子

在自然界，很多元素的组成不是单一的。这样，由它们组成的化学纯的有机化合物，由于组成它们的元素不是同位素纯的，只能得到一张混合物的质谱图。其中含有丰度较小的同位素的离子被称为同位素离子。它的丰度与离子中存在该元素的原子数目及该同位素的天然丰度有关，借助这些知识，可以推测分子离子或碎片离子的元素组成。

一、天然元素中同位素的相对丰度

下表中列举了组成有机化合物的常见元素在自然界中存在的同位素及其丰度。这些化合物被分为三类：“A”，只有一个天然丰度的同位素；“A+1”，有两个同位素的元素，其中第二个同位素比丰度最大的同位素重一个质量单位；“A+2”，这类元素含有比丰度最大同位素重二个质量单位的同位素。

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表2-1常见元素的天然同位素丰度 A A+1 A+2 元素 元素类型 质量，% 质量，% 质量，% H 1 100 2 0.015 “A” ①C 12 100 13 “A+1” 1.1 N 14 100 15 0.37 “A+1” O 16 100 17 0.04 18 0.20 “A+2” F 19 100 “A” Si 28 100 29 5.1 30 3.4 “A+2” P 31 100 “A” S 32 100 33 0.80 34 4.4 “A+2” Cl 35 100 37 32.5 “A+2” Br 79 100 81 98.0 “A+2” I 127 100 “A” ①Wapstra and Gove(1971)。 ②1.1±0.02，取决于来源。

二、重同位素峰丰度的近似计算法。

“A+2”·元素，

这类元素包括氧、硅、硫、氯和溴。除氧以外，其他元素的重同位素丰度都较高，如果有机物含有硅、硫、氯和溴，则分子离子区出现的同位素峰的强度可由二项式的展开式来计算。

①

(a?b)n?an?nan?1b?n(n?1)an?2b2/2!?n(n?1)(n?2)an?3b3/3!?......

式中a：轻同位素相对丰度 b：重同位素相对丰度

n：分子中该元素的原子数目

例如：含一个氯原子的化合物CH3CL，由CH335CL（M=50）及CH337CL（M+2=52）组成，其中35CL与37CL的丰度比为3：1，则上式为

（3+1）1=3+1

CH335CL与CH337CL的丰度比，即m/m+2=3:1

而含三个氯的CHCL3，同位素峰丰度计算如下：

3(3?1)?3?12(a?b)?(3?1)?3?3?3?1??1323(3?1)?3?13(3?1)(3?2)?1332 ?3?3?3?1??23?27?27?9?13332

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