第四章质谱解析

支链烷烃：1）分枝烷烃的分子离子峰强度较直链烷烃降低。 2）各峰簇顶点不再形成一平滑曲线，因在分枝处易 断裂，其离子强度增加。 3）在分枝处的断裂，伴随有失去单个氢原子的倾向， 产生较强的 Cn H2n 离子。 4）有 M－15 的峰。 环烷烃：1）由于环的存在，分子离子峰的强度相对增加。 2）常在环的支链处断开，给出 Cn H2n-1 峰， 也常伴随氢原子的失去，因此该 CnH2n-2 峰较强。 （41、55、56、69…） 3）环的碎化特征是失去 C2H4 （也可能失去 C2H5）。
H
O
+
.
OCH3
.
OCH3
15
m/z74 奇电子离子
� 乙酯和高级酯
RCOOR′: 当R′大于丁基时，M+• 很小。
第四章：质谱法测定分子结构
H
.+
O O
rH
.
H
+
O O
α
H +
+
O
.O
m/z60
.
H O
H
+
H
O
+
.
m/z56
+ O
O
.
rH
双氢重排
OH + HO
m/z47,61,75 特征离子系列
第四章：质谱法测定分子结构
质谱法（下）
Mass Spectrum
1
第四章：质谱法测定分子结构
常见各类化合物的质谱特征
诱导断裂是由正电荷诱导、吸引一对电子而发生的断裂， 其结果是正电荷的转移。诱导断裂常用i来表示。
2
一、烃类
随机重排倾向，氢原子和碳骨架都可能(饱和烃中最为严重)

5
10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75
The Nitrogen Rule
A molecule with an odd number of nitrogens has an odd molecular weight.
A molecule that
O2N
contains only C, H,
七、负离子
二、同位素离子 1. 常见元素的同位素天然丰度
2. 同位素离子丰度的计算
Isotopic Clusters
H
H
H
H
HH
HH
H
78
79
79
H
HH
HH
H
H
H
H
93.4%
6.5%
0.1%
all H are 1H and all C are 12C
one C is 13C
one H is 2H
Isotopic Clusters in Chlorobenzene
and O or which has
an even number of
nitrogens has an even molecular
O2N
weight.
NH2
93
NH2 138 NO2
NH2 183
3．分子离子丰度与化合物结构的关系
思考题： 比较以下成对分子的分子离子峰相对丰度大小
1。 A
B
2。 A C2H 5O H
6000
5000
4000
3000 64
2000
25
1000
35
37
47
60

电喷雾电离的基本过程 ➢ 电场下的喷雾 ➢ 壳气的作用下 ➢ 电荷的库仑作用 ➢ Rayleigh 极限
Charged Droplets
+ ++
-
+ - -++ -
++
+ +
Evaporation
Rayleigh Limit
Reached
+ +++
+-+--+-- +++
带电雾滴 溶剂的蒸发 带电雾滴的解体 表面张力和库仑斥力的平衡点
• 氩气(Ar)在电离室依靠放电产生氩离子， 高能氩离子经电荷交换得到高能氩原子 流，氩原子打在样品上产生样品离子。 样品置于涂有底物（如甘油）的靶上。 靶材为铜，原子氩打在样品上使其电离 后进入真空，并在电场作用下进入分析 器。
• FAB的优点：
• 电离过程中不必加热气化，因此适合于 分析大分子量、难气化、热稳定性差的 样品。
B + M+
• 加成反应
• BH+ + M
[BHM]+ 或 [BMH]+
ON O N
O
(M.W. 224)
甲糖宁的EI-MS与CI-MS谱比较
化学电离源 分子离子峰
麻黄碱 电子轰击源
• 2.3 场致电离源（ Field ionization, FI） • 应用强电场(电压梯度107-108V/cm)诱导样
• 特点：高的灵敏度和专属性
•
可以测定分子量，确定化合物的
分子式。
•
用于推断化合物结构。
第一节 有机质谱仪的工作原理

例一、某未知化合物只含有C、H、O，红外光谱在 3100~3700cm-1之间无吸收，质谱见下图。
例二、某酯类化合物的高分辨质谱测出其精确分子量 为116.0833，低分辨质谱图见下。试推测其结构。
各碎片离子的开裂过程
例三、某苯烃胺类生物碱的质谱如下，试推测 其结构。
各碎片离子的开裂过程
五、多电荷离子
较易出现多电荷离子的化合物：具有电子系统的 芳香族化合物、苯环化合物或高度共轭的化合物。
பைடு நூலகம்
第三节 离子开裂类型 离子开裂类型有简单开裂、重排开裂、复杂开裂 和双重开裂。 一、简单开裂 仅在化学键上发生断裂，并脱去一个游离基。
简单开裂的特征是：母离子与子离子在质量的奇 偶性上成相反的关系，即母离子的质量为偶数，则子 离子的质量应为奇数；母离子的质量如为奇数，子离 子的质量就应为偶数。
生成相对稳定的碎片离子的开裂是优势开裂
（1）有 电子 的化合物，较易生成相对稳定 的碎片离子。
（2）有杂原子的化合物，也易生成相对稳定 的碎片离子。
（3）有分支的化合物，容易在取代基最多的 碳原子处开裂，生成较稳定的叔正离子或仲 正离子。
四、亚稳离子（metastable ion)
特征：峰较宽（跨越2~5个质量单位），强度较低，且m/z不是整 数值的离子峰。
环醚类化合物易通过开裂脱去醛 饱和环状烃类易通过重排开裂而脱去烯烃
三、复杂开裂
通常含杂原子的环状化合物能发生复杂开裂，生成稳定的共振离子。 如：
第一步 第二 步 第三步
四、双重重排
双重重排是多个键发生断裂，脱去一个游离基，同时有两个氢发生迁 移的开裂 。容易发生双重重排的化合物有： 1、乙酯以上的酯和碳酸酯
发生双重重排的过程：

麦氏重排在结构鉴定上十分有用。 在醛、酮、酸、酯、酰胺以及烯烃类和苯类化合物等的 质谱中都存在。
43
②逆狄尔斯-阿尔德（Retro-Diels-Alder,RDA）重排 具有环己烯结构类型的有机化合物，可发生RDA
开裂，一般都产生一个共轭二烯游离基正离子及一个 中性烯烃分子碎片。
●脂环化合物的逆狄尔斯-阿尔德重排 ●芳香族化合物的逆狄尔斯-阿尔德重排
β键的断裂称为β断裂。当化合物中含有C=C、苯环、 C=O等基团时，它的β键也易发生断裂。
β键断裂多发生均裂。
苄基断裂
25
c. i-断裂(i –breakage) C-X键既可发生均裂，也会发生异裂，即2个电子发生
单向转移，称为诱导断裂，或称i-断裂
●i-断裂中发生了正电荷的转移，造成了i-断裂困难很大。
26
③ 影响断裂的因素 a. 化学键的相对强度
优先断裂顺序：
27
单键>双键>三键
◆从化学键的键能可以看出： （1）有机物中C-S，C-X键的键能相对较小，最易断裂。 （2）其次易断裂的是C-C、C-O键。
两者键能相差不大，相对而言C-C键优先断裂。 （3）C-C与C-H比较，C-C键的键能更小，故C-C要比
离子，常常为基峰或强峰
◆碳原子相邻的杂原子对正电荷有稳定作用的离子
30
丙苯的质谱图中苄基断裂峰—m/z91
④分子离子的简单裂解的规律
以上都是简单裂解
1) 侧链碳原子处最易断裂而生成稳定的碳正离子。 侧链愈多愈易断裂，侧链上取代基大的基团优先作为自由 基脱去。
2) 饱和环在侧链部位产生α-断裂，生成带正电荷的环 状正离子碎片。
CH3NH2
31
C5H5N

4.3. 2 碎片离子峰的解析 简单断裂反应是指在质谱反应中仅有一根化学键断裂的反应. 由简单断裂反应所产生的离子称为为〈狭义〉碎片离子. 本 小节的讨论仅限于狭义碎片离子峰的判断. 1 简单断裂的3 种断裂方式: 简单断裂起于分子离子. 当离子的正电荷位移能够确定时， 把"十"标注在该位移； 如果离子的正电荷位移不能确定时，可在离子的右面加注半 括号，然后在半括号外面加" + "或者如果还有未配对电子时 加注" +"。
4. 1. 2 有机质谱中的电离方法 不同的电离方法具有不同的原理， 因而得到的质谱(谱图） 就不同，解析方法也不同. 1 电子轰击电离：通过电子轰击电离可以产生大量的〈广义 〉碎片离子， 因此对于推测未知物结构有利. 电子轰击电离 的缺点是可能没有分子离子. 2 软电离：除电子轰击电离之外的所有电离方法均属于软电 离. 软电离主要产生准分子离子以推导未知物的相对分子质
简单断裂存在3 种断裂方式(一根化学键断裂)： (1) 均匀断裂：一根化学键的两个电子各往一侧转移， 产生 一个自由基和一个偶电子离子，例如
产生这种断裂方式的原因是原有的自由基具有强烈的电子配
对倾向. 进行这种断裂的倾向取决于自由基给电子的能力， 大致顺序为 其中表示不饱和键. R 表示烷基.
这种断裂方式发生的可能性比较高，特别是化合物含有氮和 氧这样的原子.
(2) 非均匀断裂: 一根化学键的一对电子一起往某一侧的 电荷位移转移，产生一个偶电子离子和一个自由基，例如
需要注意发生这种断裂之后电荷位移的转移.
产生这种断裂方式的原因在于原来电荷的诱导效应.生成稳 定的烷基离子是有利的.进行这种断裂的顺序为
(3) 半非均匀断裂 : 在某一很化学键已经电离的情况下， 剩下的一个电子往一侧转移，产生一个自由基和一个偶

（三）离子接收器
• 由一个有限制狭缝板和金属杯（法拉第圆筒组 成）。调节B，V，可使被分开的几个离子束依 次先后到达接收器，记录得到的是一系列峰和 谷，这就是被分析样品的质谱图。
五
• • • • • •
有关质谱计性能的几个概念
• • •
（一）质量数范围 （二）质量色散 D=△x/△M △ △ 即单位质量差所分开的距离。 （三）质量分辨率 R.P.(resoloving power)=M/△M △ （四）灵敏度 绝对灵敏度指仪器可检测出的最小样品量。相对 灵敏度指的是仪器可同时检测出的大组分与小组 分的含量之比。 丰度灵敏度=IM/△IM 丰度灵敏度 △ （五）精密度和准确度 S=[∑（xi-x）2/(n-1)]1/2 （ ）
第四节 稳定同位素地质应用
一 稳定同位素分馏概念 • 指在一系统中，某元素的同位理过程中： P141 • 分馏指数 α= RA/ RB RA：A物中 重/轻 物中 轻 RB：B物中 重/轻 物中 轻 • 同位素组成 δ=（K样品-K标样）/ K标样 α= （ RA/ RB=δA+1000/δB+1000
六 同位素比值测定方法 • （1）单接收法 • （2）双接收法： I1/ I2= （V1/ V2）*（R1/ （ R 2） • （3）多接收法 • （4）双进样法
第三节 稳定同位素样品制备与质谱 分析及应用
一 样品的制备 • C、H、O 、S 等同位素测定，须先将样品转变为 相应的气体。 • H－氢气 C、O—CO2气体 S－SO2 或SF6 （一）氢同位素制样 （1）还原法 制备水样通常采用还原法，还原剂为金属U、Zn、 Mg等。 （2）H2－H2O平衡法 H2—H20平衡法是一种在铀催化剂存在的条件下 用高纯度的氢气与水进行氢同位素平衡交换来测 定水中氢同位素组成的方法。

于含有很强的吸电子基团的化合物，检测负离子的灵敏 度远高于正离子的灵敏度； ❖ 碎片离子峰少，图谱简单，易于解释； ❖ 适用于易汽化的样品，不适于难挥发成分的分析。 ❖ CI得到的质谱不是标准质谱，所以不能进行库检索。
19
（3）快原子轰击(fast atom bombardment FAB)
图4-7 快原子轰击源示意图
❖ 质量相同而能量不同的离子经过扇形电场后彼此分开， 起能量色散作用。使静电场的能量色散作用和磁场的 能量色散作用大小相等方向相反，就可以消除能量分 散对分辨率的影响。
质谱法的主要作用是： （1）准确测定物质的分子量 （2）根据碎片特征进行化合物的结构分析
分析时，首先将分子离子化，然后利用离子在电场或 磁场中运动的性质，把离子按质核比大小排列成谱， 此即为质谱。
3
第二节 质谱分析的原理与仪器 4.2.1 质谱分析的过程与原理
图4-1 MS分析过程示意图
4
1、进样
8）多电荷离子（multiply-charged ion） 失掉两个以上电子的离子称为多电荷离子。
9）同位素离子（isotopic ion） 当元素具有非单一的同位素组成时，产生同位素离子。
9
4.2.3 质谱仪的组成
进样系统（inlet system） 离子源（ion source） 质量分析器（mass analyzer） 检测器（detecter） 真空系统（Vacuum system）
OH
O
OSiMe3
Me3SiO
Me3SiO
OSiMe3
14
2、 离子源(ion source)
离子源的作用是将欲分析样品电离，得到带有样品 信息的离子。
电子电离源(electron ionization EI) 化学电离源(chemical ionization CI) 快原子轰击(fast atom bombardment FAB) 电喷雾源(electronspray ionization ESI) 大气压化学电离（atmospheric pressure chemical ionization APCI) 基质辅助激光解吸电离（matrix assisted laser desorption ionization MALDI)

其运动轨迹发生偏转，改作圆周运动，圆周运动的离心力等于在磁 场中受到的罗仑磁力：
mv2 ZVB =
（2）
rm
式中：B为磁场强度，rm为离子偏转半径，由式(1)和(2)消去，经
单位变换后得：
m
= B 2 r m 2 （3）
z
2V
离子在磁场中运动的轨道半径rm是由V、B和m/z三者决 定的 。
m z
B 2rm 2 = 2V
(a)单聚焦分析器：
加速正 电场
扇型磁场 分析管
离子源
V
无 场
B
区
检测器
样品在离子源中被电离成离子，假定离子的初始动能为0， 在加速电压v的作用下，离子所具有的动能为：
1mv2 ZV 2
（1）
式中:：m-离子的质量；ν-离子的速度；Z-离子的电荷量；V-离子 的加速正电压。
加速后的离子进入分析器。在分析器中，离子受磁场力的作用，
CI源有一种反应气导入电离室。 现以CH4作为反应气，XH为样品，说明化学电离的过
程。 在电子轰击下，主要是反应气先电离： CH4十e→CH4+十CH3+十CH2+十CH+十C+十H2+十H+
生成的碎片离子主要是CH4+和CH3+，它们又与反应 气体作用，生成两种新的离子：
CH4+ + CH4 CH3+ + CH4 CH2+ + CH4
避免了对有机化合物的加热，更加适用于热不稳定的、难汽化的 有机化合物分析，可以检测高分子量的有机化合物。
Ar + 离 子 枪
Ar + 离 子 枪
Ar +
Ar

70ev
84 12ev 85 84
85 98
98
12:05:19
（3）降低气化温度
206 T =160 C M m /z
（4）采用软电离技术
COOC8H17 COOC8H17 M=390
206 T =250 C m /z
EI
57
71
149 113 167 279 m /z
12:05:19
113 149
12:05:19
4.5.3 同位素离子峰（M+1峰）
isotopic ion peak
由于同位素的存在，可以看到比分子离子峰大一个质
量单位的峰；有时还可以观察到M+2，M+3…
12C:13C=100:1（M
: M+1=1.1%）； : M+2=3 : 1）；
35Cl:37Cl=100:32.5（M
CI
2 6 12 7 9
391
m /z
4. 分子离子峰强度与结构的关系
M=130 M (RA) 100 N 100 C3 C C C4 20 6 2 0.5 0.5 0.1 0.1
12:05:19
M=130
M (RA) 100 90
C7CHO C6COOH C8NH2 C8OH C7Cl
O C2 C C5 C4 O C4 O C6 C NH 2 C5COOCl
M + e → M+ + 2e
与化合物的相对分子质量相等。
有机化合物分子离子峰的强弱顺序：
芳香化合物＞共轭链烯＞烯烃＞脂环化合物＞直链烷烃 ＞酮＞胺＞酯＞醚＞酸＞支链烷烃＞醇 准分子离子：由软电离产生的质子或其他阳离子的加 合离子如 [M + H]＋、[M + Na]＋、 [M + K]＋以及去质子化 或其他阴离子的加合离子如[M - H] -、[M + X]-等。

● 贝农表(Beynon表) Beynon将质量在500以下的含碳、氢、 氧、氮原子的各种组合，按质量和同位素丰 度编制成表。
在Beynon表中，（M+1）和（M+2）栏 是表示（M+1）/M和（M+2）/M的百分比。 在一般参考书中，都附有Beynon表。
※ 含Br，Cl，S等元素的化合物，使用 Beynon表注意事项： ① 应从高分辨质谱仪测得的精确分子
● 表图：可表示各峰之间的精确强度 —— 适用于定量分析。 ● 元素图表 —— 仅用于高分辨质谱图。
棒 图（bar graph）
1. 常规质谱图简化的方法：
◆ 选择基峰（base peak） —— 最强峰，规定其丰度为100。 ◆ 求相对丰度（relative abundance） —— 其它离子峰与基峰比较； 求基峰外各峰的相对丰度（I）%。
+ .
2.分子离子峰的确认
理论上，一般m/z最大即为分子离子峰， 但实际不尽然。
原因如下： ① M+n（n=1，2，3….）同位素峰 ② 杂质峰（样品不纯或仪器污染） ③ 分子离子峰很弱或不出现，常误认碎 片离子峰为分子离子峰。
分子离子峰特征判断原则
● 分子的质量数服从氮律（N律）
① 由C，H，O组成化合物，其分子离子峰的质量 数是偶数；
◆ 电子流轰击（electronimpact source,EI）
轰击的电子的能量 ＞ 分子的电离能 （ΔE≈70ev） （12ev ～20ev） 分子 M + e（高速）→ M++ 2e（低速） －e M ——— M+ + e 适合于易挥发、热稳定的有机化合物
◆ 化学电离法（chemical ionization, CI） 反应气体（CH4，NH3，H2，N2） 50ev电子流轰击 样品（M）

进入电离源的分子R-CH3大部分与CH5+碰撞产生(M+1)+离子；小部分与 C2H5+反应，生成(M-1)+离子：
C5 H M HC4 H M2 H (M1离)子
C 2H 5 M HC 2H 6M (M1离)子
特点：电离能小，质谱峰数少，图谱简单；准分子离子(M+1)+峰大,可 提供分子量这一种要信息。
• 。某些化合物（如醚、酯、胺等）的质谱 中分子离子峰强度很低甚至不出现，而 M+1峰的强度却很大。这是因为这些化合 物的分子离子和中性分子发生碰撞结合成 络合离子
6.根据断裂方式判断分子离子峰
• 如醇的分子离子峰通常看不到，但经常看 到最高质量的两峰相差3个质量单位的峰 （M-CH3 峰和 M-H2O峰）。
一、分子离子
• 样品分子受高速电子轰击后，失去一个价
电子后形成的正离子称为分子离子或母体
离子，用 表示。其相应的质谱峰称为分
子离子峰。
M
M+e
M + 2e
• 通常，n电子的能量高于π电子，π电子的能 量又高于σ电子。因此，样品分子在电离时， 最容易失去的是n电子，接下来分别是π电 子、σ电子。
某些分子离子失去电子的位置可以 直接表示出来
R = m/ W0.05
• 低分辨〈1000，能分开Δm = 1.0的峰，可 以测得分子量的整数值。
• 高分辨〉10000，能精确测定离子质量数到 几位小数，用于确定原子组成
质谱仪
Agilent7500系列ICP-MS
三.质谱图及其应用
1、质谱图与质谱表
质谱法的主要应用是鉴定复杂分子并阐述其结构，确定 元素的同位素及分布等。一般的质谱给出的数据有两种形式： 一是棒图即质谱图，另一个为表格即质谱表。