關于質譜基本原理12.7質譜的基本原理質譜：就是將樣品轉化為運動的氣態離子碎片，并磁場中按質荷比(m/z)大小進行分離記錄的分析方法。質譜與其它分析方法相比，有以下特點：(1)質譜法幾乎是唯一能夠確定有機化合物分子式的方法。低分辨率的質譜儀可以測定分子量，高分辨率的質譜儀不僅可以得準確的分子量(準確到小數點后3-4位)，而且還可以確定分子式。(2)質譜分析法靈敏度高，試樣通常只需微克級，就可得到一張很好的譜圖，檢出限量可達10-14g

。(3)此外，質譜法還能根據各類化合物分子離子斷裂成碎片的規律，提供豐富的分子碎片信息，用于結構分析。尤其是近年來，計算機在質譜上的應用，質譜與其它分析方法的聯用，如氣相色譜－質譜聯用、液相色譜－質譜聯用、質譜－質譜聯用等技術的發展，使得質譜的應用更為廣泛，作用更為重要。使它在生命科學、環境科學、藥物檢測等領域中已成為必不可少的手段。第2頁,共22頁，2024年2月25日，星期天一、質譜儀化合物的質譜是由質譜儀測得的。一般質譜儀由以下幾個部分組成：最簡單的質譜儀為單聚焦(磁偏轉)質譜儀。它的結構如下圖。第3頁,共22頁，2024年2月25日，星期天整個系統是高真空的，氣體樣品從進樣口a進入離解室，樣品分子被一束高能量的電子撞擊，結果使樣品分子發生各種反應。首先是樣品分子中的一個電子被擊出，形成帶正電荷的自由基分子離子。以甲烷為例：該分子離子可繼續反應形成碎片離子，碎片離子可進一步分裂成新的碎片離子。這樣，一個化合物在離子室中可以產生若干個質荷比不同的離子，如甲烷：這些離子進入一個具有幾千伏電壓的加速區c，加速后通過狹縫d進入磁場f。質量為m的離子經電場加速后獲得的動能來源于加速電場的勢能，即：zV=m

2/2而在磁場中，離子運動方向發生改變，進行圓周運動。這時，只有磁場施加給離子的向心力(Hz

)與離子的離心力(m

2/r)相等，才能達到分析器的出口，被檢測到。第4頁,共22頁，2024年2月25日，星期天合并上述兩式，消去速度

，可得到公式：這是質譜的基本方程。m/z稱為質荷比，由公式可知，當儀器的加速電壓(V)和磁場強度(H)一定時，只有半徑為r的離子才能達到分析器的出口，被檢測器檢測出來。反過來，如果固定加速電壓V和離子運動半徑r，對磁場進行掃描，由于m/z與H2成正比，當H由小到大改變時，不同質荷比的離子就會由小到大，依次穿過狹縫q，被檢測器i依次接收，從而得到所有m/z離子的質譜圖。二、質譜圖一般的質譜圖用棒狀圖表示，其橫坐標為不同離子的m/z

，縱坐標為各峰的相對強度。左圖為甲烷的質譜圖，在不同的m/z處，有強度不同的峰，最高的峰稱為基峰，把它的強度定為100，其它峰高相對于它的百分數為各峰的相對強度。峰的相對強度表示不同質荷比離子的相對含量。第5頁,共22頁，2024年2月25日，星期天在上圖中，m/z＝16的基峰為甲烷打掉一個電子生成的分子離子峰，常用M+表示。甲烷的分子離子較穩定，所以它的強度最大，可作為基峰。但是，在很多有機化合物的質譜中，分子離子峰并不一定是最強峰(基峰)。第6頁,共22頁，2024年2月25日，星期天12.8相對分子質量和分子式的確定一、分子離子和相對分子質量分子失去一個電子生成的自由基分子正離子叫做分子離子。因它只帶一個正電荷，質荷比(m/z)在數值上與分子的質量相同，因此，在質譜中，找到分子離子峰就可確定相對分子質量。這是質譜的重要應用之一。它比用其它方法，如冰點降低、沸點升高法測定相對分子質量簡單得多。分子離子峰一般是質譜圖中質荷比最大的峰。但多數情況下其右側還伴隨有弱的同位素峰和反應離子峰。有些化合物的分子離子比較穩定，峰的強度較大，在質譜圖譜上容易找到；但有些化合物的分子離子不夠穩定，容易生成碎片，此時，這些分子離子峰很弱或幾乎找不到(如帶支鏈的烷烴、醇類等)。這時，可采用降低質譜儀撞擊電子流的能量的方法，或以其它經驗方法來確定分子離子峰。第7頁,共22頁，2024年2月25日，星期天二、分子式的確定確定了相對分子量，并不能寫出分子式，因為多種分子可能具有相同的分子量。那么，如何確定分子式呢？常用的有兩種方法。1.高分辨率質譜法測定分子式利用高分辨率質譜儀測定分子式的依據是，當規定12C的原子質量為12.000000時，其它各元素的原子質量嚴格地講都不是整數。如：1H：1.007825，16O：45.994914，14N：14.003050。因此，即便是有的化合物分子在整數部分是相同的，但其在小數部分絕對不會相同。因此，只要能足夠精確地測出分子量，就能推斷出分子式。現代高分辨率質譜已能精確到萬分之一，誤差僅為±0.006。能夠符合這一精度的，可能的分子式數目已經很少了。若再配合其它信息，就可從這少數的幾個分子式中推斷出合理的分子式。例如：用高分辨率質譜儀測得試樣M.+為150.1045，該化合物在IR光譜中有明顯的羰基吸收峰，求其分子式。解：若質譜儀的誤差是±0.006，那么分子量小數部分的范圍是：0.0985－0.1105，查貝農表，質量整數為150，小數部分在這一范圍的可能分子式有4個。第8頁,共22頁，2024年2月25日，星期天(1)C3H12N5O2,150.099093(2)C5H14N2O3,150.100435(3)C8H12N3,150.103117(4)C10H14O,150.104459首先，根據N規律，排除(1)和(3)。所謂N規律是指：當有機分子的分子量為偶數時，該分子中不含N或含偶數個N；當分子量為奇數時，分子中必含有奇數個N原子。再計算(2)和(4)的不飽和度。UN(2)＝5＋1－0.5＊(14-2)＝0UN(4)＝10＋1－0.5＊(14)＝4由題義可知，分子中有一個羰基，說明只少有一個不飽和度。而(2)的不飽和度為0，也不合理。因此，只有(4)才是可能的分子式。2.同位素豐度法推斷分子式在自然界中，組成有機化合物的各種元素按其同位素特征可分為三類：A類元素：不含同位素的元素，如I、F、P等，氫的同位素D含量很少(0.016%)，常可以忽略不計，也歸為A類元素。A＋1類元素：C、N的同位素比普通的多一個中子，質量數多1，稱為A＋1類元素。A＋2類元素：O、S、Si、Br除了含質量數多2的同位素外，第9頁,共22頁，2024年2月25日，星期天O、S、Si還含有質量數多1的同位素。這些同位素在自然界中的相對豐度都是是已知的。詳見表12-3。因此，我們可以根據同位素的豐度和質譜圖中同位素峰的相對強度來推斷分子式。在質譜圖中，同位素離子峰的強度取決于三個因素：(1)分子式，即分子由什么元素組成。(2)分子中具有同位素的原子的個數。(3)同位素的天然豐度。例如：13C的天然豐度為1.1%，那么CH4的M＋1(17)峰的相對強度是M.+(16)峰的1.1%(只考慮了13C的影響，2D的影響忽略不計)。而乙烷的M＋1(31)峰的強度是M.+峰的2.2%。由此可見，知道了化合物的分子式，就可計算出M.+，M＋1，M＋2峰的相對強度。反過來，如果在質譜圖中測得了這些峰的相對強度，就可計算或推斷出分子式。對于只含有C、H、N、O的化合物，設分子式為：CwHxNyOz。則同位素峰的相對強度可用下述公式近似計算出來：第10頁,共22頁，2024年2月25日，星期天同樣也可推出M+2峰的相對強度：只含有C、H、N、O的化合物，M＋2峰比較弱，但含有Br、Cl、S等元素的化合物M+2峰卻很強，因為這些元素的同位素自然豐度較大。科學家貝農已根據上述公式計算出結果，并編制成表，稱為貝農質譜數據表。根據貝農數據表，再在質譜圖中測得分子離子的質量和同位素峰的相對強度，就可推測出分子式。如：有一化合物在質譜圖上最大的質量區有三個峰，分別是：132(M.+)100，133(M+1)7.85，134(M+2)0.26，試推測其分子式。解：查貝農表，質量數為132，相對強度M+1峰在7.85附近，M+2峰在0.26附近的分子式有4個：則N規律，分子量為132時，前兩個不合理，在后兩個中，C7H16的M+1和M+2峰的相對強度與測定值接近，因此，該化合物的分子式為：C7H16。第11頁,共22頁，2024年2月25日，星期天12.9碎片離子和分子結構的推斷分子離子在離解室中，獲得到較高的能量，不能穩定存在，它會裂分為碎片離子，這些碎片離子又會再裂分成更小的碎片離子。各種碎片離子在質譜中以不同的m/z值和不同的強度顯示成各種峰。這些碎片離子峰為判斷分子結構提供了非常有用的信息。利用質譜推斷分子結構就像把打碎的器皿碎片再拼成完整的器皿一樣。當然，要完整的拼裝，就必須了解這些碎片的特征與原來器皿的關系。同樣要利用質譜推斷分子結構，首先要了解分子結構與碎片的關系。一、離子分裂的一般規律1.偶數電子規律離子的分裂一般都遵循“偶數電子規律”，就是說：含奇數電子的自由基離子分裂可產生自由基和正離子，或產生含偶數電子的中性分子和自由基正離子。含偶數電子的離子裂分不能產生自由基，只能生成偶數電子的中性分子和正離子。第12頁,共22頁，2024年2月25日，星期天偶數電子規律：2.影響離子分裂的主要因素離子分裂主要影響因素有三種，(1)碎片離子的穩定性。離子在分裂時，主要生成較穩定的離子，這一點和一般的化學反應一樣。如：顯然，前兩種分裂生成較穩定的仲碳正離子，是主要的分裂途徑，而后者生成不穩定的伯碳正離子，可能性很小。第13頁,共22頁，2024年2月25日，星期天(2)易脫去一個穩定的中性分子在離子分裂中，往往可以脫去一個小的中性正分子(如：CO、C2H4、H2O、HCN)，同時生成另一個離子，這也是離子分裂的一個主要途徑。如：醇自由基離子的脫水：氧鎓離子脫CO：麥氏重排：它是碎片分裂中一個很常見、很重要的分裂規律。對于醛酮、羧酸、羧酸衍生物，麥氏重排的通式為：對于烯烴和取代芳烴，也有類似的麥氏重排，它們的通式為：第14頁,共22頁，2024年2月25日，星期天(3)官能團和原子的空間位置也會影響離子裂分的途徑，如上面的麥氏重排。二、幾類化合物的離子分裂及其質譜1.烷烴在直鏈烷烴中，所有C－C鍵的鍵能都是相等的，分子離子可以從任何一個C－C鍵處斷裂，形成含不同碳的碎片離子，一般M-15、M-29、M-43、M-57等的峰均為直鏈烷烴質譜中較強的峰，它們分別相當于分子離子去掉甲基、乙基、丙基、丁基等生成的離子峰。如圖是正己烷質譜圖。第15頁,共22頁，2024年2月25日，星期天在烷烴的質譜圖中，相鄰的峰其質荷比(m/z)相差14，即相差一個亞甲基(-CH2-)，這是直鏈烷烴質譜的特點之一。從講義中正十二烷的質譜圖可以看出，隨著質荷比的增大，各峰的強度依次減弱，這是長直鏈烷質譜的另一特點。因為質荷比較小的峰除了由分子離子直接分裂生成外，還可由質荷比較大的碎片離子(多于四個碳)再分裂生成。如：[C6H13]+可再分裂成[C4H9]++C2H4或[C3H7]++C3H6。另外，在烷烴離子的分裂中，常常伴隨著碳正離子重排，最可能生成較穩定的碎片CH3+CHCH3和(CH3)3C+。所以，質荷比為43,57的峰，在直鏈烷烴質譜圖中常常是最強的兩個峰。這是直鏈烷烴質譜的第三個特點。具有支鏈的烷烴分子離子在分裂時，一般從支鏈處斷裂，這樣可生成較穩定的仲或叔碳正離子。所以支鏈烷烴質譜中各峰的強度不像直鏈烷烴那樣隨質荷比的增加而有規律的遞減。如2-甲基戊烷分子離子有三種分裂方式：第16頁,共22頁，2024年2月25日，星期天由上述分裂的碳正離子穩定性可知，質荷比為43,71的仲碳正離子較穩定，易生成，而m/z57的伯碳正離子不穩定，不易生成，所以，m/z43,71的峰強度要比57的大。2.醇的分裂和質譜以2-甲基-2-丁醇為例說明醇的一般分裂規律。該化合物的分子離子峰應出現在m/z88處，但在圖中卻觀察不到。這是因為醇的分子離子一般穩定性較差，很容易發生

-分裂，生成較穩定的氧鎓離子。醇的另一種常見分裂方式是脫水生成含雙鍵的自由基正離子。第17頁,共22頁，2024年2月25日，星期天圖中m/z較小的峰很多是生成的碎片離子再分裂生成的。如m/z55和45的碎片分別是由分子離子脫水碎片和氧鎓離子碎片再分裂生成的。第18頁,共22頁，2024年2月