現(xiàn)代儀器分析[4]ms

1、質(zhì) 譜 Mass Spectrometry,有機(jī)結(jié)構(gòu)分析的四大工具質(zhì)譜(MS)紅外光譜(IR)紫外光譜(UV)核磁共振(NMR),利用電磁學(xué)原理,將化合物電離成具有不同質(zhì)量的離子,然后按其質(zhì)荷比(m/z)的大小依次排列成譜收集和記錄下來(lái),稱(chēng)為質(zhì)譜.以質(zhì)譜為基礎(chǔ)建立起來(lái)的分析方法,稱(chēng)為質(zhì)譜分析法,在有機(jī)結(jié)構(gòu)分析中，質(zhì)譜以其靈敏度高(比紅外高2個(gè)數(shù)量級(jí)，比核磁共振高1個(gè)數(shù)量級(jí))，分析速度快等特點(diǎn)使其在有機(jī)結(jié)構(gòu)四大分析中具有特別

2、重要的地位。,當(dāng)試樣極微量時(shí)，質(zhì)譜是唯一能夠確定其結(jié)構(gòu)的方法---沒(méi)有任何技術(shù)象質(zhì)譜那樣可以從很少的樣品中獲得很多的信息。,每一個(gè)有機(jī)分子，在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，可以重復(fù)地得到一張?zhí)囟ㄐ螤畹馁|(zhì)譜圖，即每個(gè)分子都有其特定形狀的質(zhì)譜圖。由于質(zhì)譜圖與所測(cè)分子的結(jié)構(gòu)一一對(duì)應(yīng)，因此，質(zhì)譜可以作為鑒定分子的指紋。,特點(diǎn):,一.質(zhì)譜原理和功能,§1.質(zhì)譜原理和儀器,質(zhì)譜儀的基本功能就是使樣品分子吸收特定的能量，從而失去成鍵軌道或非成鍵軌道上的

3、一個(gè)電子，形成帶正電荷的分子離子;具有高內(nèi)能的分子離子進(jìn)一步按照其自身特有的碎裂規(guī)律發(fā)生單分子分解反應(yīng)，生成一系列碎片離子。質(zhì)譜儀將樣品分子產(chǎn)生的所有碎片正離子按其質(zhì)量和電荷比m/z（質(zhì)荷比）順序,連同相應(yīng)離子的強(qiáng)度記錄下來(lái)，便形成一張質(zhì)譜圖。,質(zhì)譜最基本的信息有兩個(gè)，即離子的質(zhì)量和它們的相對(duì)豐度（最大對(duì)為100，其它的為相對(duì)值）。,在一定條件下，碎片的種類(lèi)及其含量與原來(lái)未裂解前化合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)有關(guān)。反之，通過(guò)測(cè)定這些質(zhì)荷比m/z不同的

4、離子碎片的種類(lèi)及其相對(duì)含量就可能確定原來(lái)未知物的化學(xué)組成及其結(jié)構(gòu)，這就是質(zhì)譜法。,質(zhì)譜圖中，最高質(zhì)量數(shù)的一組離子峰通常是由樣品分子丟失一個(gè)電子而形成的，稱(chēng)為分子離子峰。碎片離子是由分子離子進(jìn)一步碎裂而形成的，它們的質(zhì)量數(shù)也就小于分子離子峰，它們是分子的組成部分。絕大多數(shù)離子都是單電荷離子，但在某些情況下也會(huì)出現(xiàn)多電荷和負(fù)電荷離子，它們也提供了有用的結(jié)構(gòu)信息。,質(zhì)譜的功能主要為：1）測(cè)定分子量 分子量是化學(xué)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。高分辨質(zhì)譜儀

5、能精確地測(cè)量離子質(zhì)量，精度達(dá)1ppm，即準(zhǔn)確測(cè)到四位小數(shù)。2）根據(jù)譜圖全貌檢測(cè)其分子結(jié)構(gòu)，根據(jù)分子碎裂特征可確定化合物類(lèi)型和可能的官能團(tuán)，從而確定分子結(jié)構(gòu)。,二.質(zhì)譜儀器,作用： 進(jìn)樣 產(chǎn)生離子 分離離子 離子檢測(cè),質(zhì)譜儀是通過(guò)對(duì)樣品電離后產(chǎn)生的具有不同m/z的離子來(lái)進(jìn)行分離分析的。質(zhì)譜儀須有進(jìn)樣系統(tǒng)、電離系統(tǒng)、質(zhì)量分析器和檢測(cè)系統(tǒng)。為了獲得離子的良好分析，必須

6、避免離子損失，因此凡有樣品分子及離子存在和通過(guò)的地方，必須處于真空狀態(tài)。,,質(zhì) 譜 儀 示 意 圖,1.進(jìn)樣系統(tǒng) 10-3g，1mg足矣，甚至10-6-10-9g也夠。樣品要以蒸汽相的形式膨脹進(jìn)入儲(chǔ)存器。 ①若樣品為一有機(jī)混合物，則可經(jīng)氣相色譜分離，分離后的餾分，通過(guò)GC/MS界面（分子分離器）將載氣去掉，讓欲分析的組分進(jìn)入離子源。,③固體，直接裝在進(jìn)樣探頭上(probe)，加熱探頭，以保持在一定蒸汽壓下?lián)]發(fā)出來(lái)。

7、,,,②氣體或低沸點(diǎn)液態(tài)樣品,2.離子源 （電子轟擊源EI,化學(xué)電離CI,場(chǎng)解吸FD,快速原子轟擊FAB） 離子源是質(zhì)譜儀的心臟，是將樣品分子電離成離子的地方。有機(jī)質(zhì)譜儀最常見(jiàn)的離子源是電子轟擊源，即用具有一定能量的電子束撞擊被分析的樣品分子，使其離子化。電子轟擊源質(zhì)譜圖是特定的，能表征分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)，作為鑒定化合物的“指紋”?，F(xiàn)有的大量質(zhì)譜儀標(biāo)準(zhǔn)譜圖均取自電子轟擊源質(zhì)譜(EIMS)。因此，要利用這些數(shù)據(jù)(資

8、料)，就要具備用電子轟擊源獲得的數(shù)據(jù)。 電子束能量為：50～70ev,3.質(zhì)量分析器(離子分離器) 分析器的功能是將經(jīng)過(guò)電離和加速的不同質(zhì)荷比的離子分離.常用的質(zhì)量分析器有磁場(chǎng)分析器,飛行時(shí)間分析器,四極分析器,回旋共振和離子阱分析器. 各種質(zhì)譜儀主要區(qū)別就在于質(zhì)量分析器的不同。,4.檢測(cè)系統(tǒng) 離子源產(chǎn)生的離子經(jīng)質(zhì)量分析器分離之后到達(dá)檢測(cè)系統(tǒng)。檢測(cè)器主要是使用電子倍增器

9、記錄不同離子的電信號(hào)，即用金屬電極接受并用電學(xué)方法記錄離子流。離子流的強(qiáng)弱與該離子數(shù)目成正比。5.真空系統(tǒng),三.質(zhì)譜技術(shù)中有關(guān)的名詞術(shù)語(yǔ),1.質(zhì)量數(shù)和質(zhì)量范圍 在質(zhì)譜中，化合物分子都是以離子形式記錄的，若離子僅帶一個(gè)正電荷，則對(duì)于低分辨質(zhì)譜，離子的質(zhì)荷比在數(shù)值上就等于它的質(zhì)量數(shù)。如CO離子的質(zhì)荷比為27.9949,則其質(zhì)量數(shù)為28。 質(zhì)譜儀的質(zhì)量范圍，是指儀器能測(cè)量的離子質(zhì)荷比范圍。若z=1,則儀器可測(cè)范圍實(shí)際上就是可

10、測(cè)分子量的范圍，質(zhì)譜儀質(zhì)量范圍一般是幾十到幾千。,2.分辨率 質(zhì)譜儀的分辨率是分開(kāi)兩個(gè)相鄰質(zhì)量數(shù)離子的能力，以R=M/△M決定。其中M為兩相鄰峰的第一個(gè)峰的質(zhì)量數(shù)， △M為兩峰質(zhì)量之差。 例 CO和N2形成的離子，其m/z分別為27.9949和28.0061 若某儀器剛好分開(kāi)這兩種離子，則該儀器的分辨率應(yīng)為 R=27.9949/(28.0061-27.9949

11、) ≈2500。 R=10000以下，低分辨率 R=10000～30000，中分辨率 R>30000，高分辨率,3.靈敏度 絕對(duì)靈敏度：指儀器可以檢測(cè)到的最小樣品量,4.質(zhì)譜圖 儀器直接記錄下來(lái)的質(zhì)譜圖，是一個(gè)個(gè)尖銳的峰。但在文獻(xiàn)上都將其簡(jiǎn)化成以相對(duì)強(qiáng)度表示的條圖（或棒圖

12、）。它的縱坐標(biāo)是離子強(qiáng)度，以相對(duì)豐度表示。所謂相對(duì)豐度，是以強(qiáng)度最大的峰（稱(chēng)基峰）為100，其余的峰按與它的比例計(jì)算。,§2.有機(jī)質(zhì)譜圖中的離子,一張質(zhì)譜圖是由不同豐度的分子離子、同位素離子、碎片離子、亞穩(wěn)離子、重排離子、多電荷離子等組成，識(shí)別這些離子，弄清它們的形成和演變過(guò)程以及峰與峰之間的相互關(guān)系是解析譜圖的基礎(chǔ)。,一.分子離子,有機(jī)分子在離子源中受到電子轟擊，失去一個(gè)電子而生成的離子稱(chēng)為分子離子(M+), 對(duì)應(yīng)的峰稱(chēng)為分

13、子離子峰。M+在質(zhì)量上等于分子量。分子離子是其它離子的先驅(qū)。,,,M ＋e→ M+＋2e,分子離子峰的相對(duì)強(qiáng)度取決于M+相對(duì)于裂解產(chǎn)物的穩(wěn)定性.如芳香物因含有共軛Π電子很容易失去一個(gè)電子而形成穩(wěn)定的分子離子,其M+峰的相對(duì)穩(wěn)定強(qiáng)度較大,而支鏈烷烴或醇類(lèi)化合物的分子離子很不穩(wěn)定,表現(xiàn)為M+很少.各類(lèi)有機(jī)化合物分子離子的穩(wěn)定性的次序?yàn)榉枷銦N>共軛多烯烴>環(huán)狀化合物>羰基化合物>醚>酯>胺>醇>

14、支鏈烷烴,自然界中存在的元素，具有天然的同位素，這就意味著含有某種元素的碎片在質(zhì)譜圖上不只呈現(xiàn)單峰，而是一組峰。由天然同位素組成的化合物，在質(zhì)譜圖上常出現(xiàn)比分子量大1，2，3或更多質(zhì)量單位的峰。這些就是由重同位素引起的同位素峰，其強(qiáng)度決定于分子中所含元素的原子數(shù)目和該元素天然同位素的豐度。一般都是以該分子中各元素中最輕的同位素，也就是豐度最大的同位素組成的峰為分子離子峰。重同位素組成的峰為分子離子峰的同位素峰(M+1) , (M+2)。

15、,二.同位素離子,三.碎片離子,碎片離子是分子離子在離子源中碎裂生成的。一般用于電離有機(jī)物的轟擊電子能相當(dāng)大(約70ev)，使分子離子處于激發(fā)狀態(tài)，會(huì)斷裂其中的一些化學(xué)鍵，產(chǎn)生質(zhì)量較低的碎片離子。研究碎片離子的形成過(guò)程能幫助我們分析化合物的結(jié)構(gòu)。,,若質(zhì)量為m1的離子在離開(kāi)離子源受電場(chǎng)加速后，在進(jìn)入質(zhì)量分析器之前，由于碰撞等原因很容易進(jìn)一步分裂失去中性碎片而形成質(zhì)量為m2的離子，即m1→m2+Δm，由于一部分能量被中性碎片帶走，此時(shí)的m

16、2離子比在離子源中形成的m2離子能量小，觀察到的m/z較小。這種峰稱(chēng)為亞穩(wěn)離子峰，用m*表示，它的表觀質(zhì)量m*與m1、m2的關(guān)系是： m*＝(m2)2/m1 例：C4H9+ →C3H5+＋CH4 (m/z=57) (m/z=41) 亞穩(wěn)峰不體現(xiàn)真正質(zhì)量，低矮寬峰，寬度2～5個(gè)質(zhì)量單位，m/z不為整數(shù)，很容易從質(zhì)譜圖中觀察出來(lái)。,四.

17、亞穩(wěn)離子,,,m*=412/57=29.49,五.多電荷離子,一般為單電荷離子，但有些分子非常穩(wěn)定，能承受兩個(gè)或更多的電子丟失，從而產(chǎn)生m/2z, m/3z等多電荷的離子。它們出現(xiàn)在單電荷離子1/2,1/3處，芳香烴和含共軛體系的分子，有П鍵系統(tǒng)，能使雙電荷離子穩(wěn)定。,六.重排離子,分子離子在分解前進(jìn)行重排，產(chǎn)生的碎片結(jié)構(gòu)是原來(lái)分子中并不存在的。重排離子也可能再形成碎片離子。在鏈烯中常出現(xiàn)重排離子。,§3. 質(zhì)譜和分子結(jié)構(gòu)的關(guān)

18、系,我們進(jìn)一步要問(wèn)，對(duì)于指定的分子結(jié)構(gòu)它可能會(huì)產(chǎn)生些什么峰呢？它們的強(qiáng)度如何呢？這個(gè)問(wèn)題很重要，又很復(fù)雜。它既與斷裂鍵的活化能有關(guān)，也與形成的陽(yáng)離子穩(wěn)定性有很大的關(guān)系。,關(guān)于譜圖的解釋可以從共軛、極化率、誘導(dǎo)效應(yīng)及空間效應(yīng)等分子的基本性質(zhì)出發(fā)加以說(shuō)明，但更多的是由經(jīng)驗(yàn)的相關(guān)對(duì)比的方法進(jìn)行研究。,我們?nèi)绻軓姆肿踊鶊F(tuán)的關(guān)系及鍵強(qiáng)弱的關(guān)系對(duì)質(zhì)譜的主要峰加以解釋?zhuān)涂梢允褂镁C合的方法將各種碎片通過(guò)不同途徑將原來(lái)的分子的結(jié)構(gòu)拼湊出來(lái)。,識(shí)別特征

19、峰的一般規(guī)律：,1.直鏈的分子離子峰高，分支程度愈高則分子離子峰愈低。2.在同系物中，分子量愈小則分子離子峰愈高。3. 對(duì)于脂肪鏈烴，一般在分支部分的鏈較易斷裂，而且正電荷保留在取代較多的碳原子碎片上。所形成的正碳離子的穩(wěn)定性 ＋CH3< R+CH2< R2+CH< R3+C4.烯鏈、環(huán)狀結(jié)構(gòu)，特別是芳香環(huán)的分子離子峰特別高。因?yàn)椤请娮芋w系的共軛效應(yīng)有利于分子離子的穩(wěn)定性。5.雙鍵有利于裂解成穩(wěn)定的丙烯陽(yáng)離子

20、。,6.飽和環(huán)傾向于在α鍵失去側(cè)鏈。正電荷傾向于保留在環(huán)碎片上。例：,7.在烷基取代的芳香化合物中，在對(duì)于環(huán)的β鍵位置裂解。,8. 給電子基團(tuán)降低支鏈對(duì)應(yīng)處的裂解能力，吸電子基團(tuán)增加支鏈對(duì)應(yīng)處的裂解能力。,COR+離子峰低,COR+離子峰高,9. 對(duì)于雜原子(N、S、O、Cl)的α鍵或β鍵易于斷裂, 正電荷 在雜原子上。,這是由于裂片離子能與其中孤對(duì)電子共軛而具有較大的穩(wěn)定性。雜原子對(duì)陽(yáng)離子的穩(wěn)定性次序?yàn)?

21、 N>S>O>Cl。,10. 裂解常常伴有小的穩(wěn)定中性分子（CO、烯烴、水、NH3、H2S、HCH、硫醇、醇）的消失，這時(shí)常伴以重排或形成介穩(wěn)離子。,綜上可見(jiàn)，分子離子峰強(qiáng)度的一般規(guī)律如下：,芳香烴 > 共軛烯 > 烯 > 環(huán)烷化合物 > 羰基化合物 > 無(wú)分支的烴類(lèi)化合物 > 醚 > 酯 > 胺 > 醇 > 高度分支的烴類(lèi)化合物,§4. 質(zhì)

22、譜的應(yīng)用,一.質(zhì)量的測(cè)定,1.同位素豐度和原子量,大多數(shù)元素都是一定自然豐度的不同同位素的混合物。例：氙 9種同位素，通過(guò)氙同位素的質(zhì)譜可知。,定義C12=12.00000?；瘜W(xué)上所用原子量正是所有同位素的權(quán)重平均值。原子量大部分都是由質(zhì)譜法精確測(cè)定出來(lái)的。,2.分子量的測(cè)定,可通過(guò)確定分子離子峰，精確地確定分子量（高分辨質(zhì)譜）。因此，正確認(rèn)識(shí)分子離子峰很重要。其特征：,⑴它是質(zhì)譜中質(zhì)量最大的峰（最右）（不包括同位素峰）。因?yàn)樗?/p>

23、化合物分子失掉一個(gè)電子的離子產(chǎn)生的峰。⑵它一定是含有奇數(shù)電子的離子。因?yàn)椴畈欢嗨械挠袡C(jī)分子都含偶數(shù)電子。,⑶它要符合“氮律”。在只含C，H，O，N的化合物中，不含或含偶數(shù)個(gè)氮原子的分子的質(zhì)量數(shù)為偶數(shù)，含有奇數(shù)個(gè)氮原子的分子的質(zhì)量數(shù)為奇數(shù)。這是因?yàn)樵谟蒀，H，O，N, P和鹵素等元素組成的有機(jī)分子中，只有氮原子的化合價(jià)為奇數(shù)而質(zhì)量數(shù)為偶數(shù)。⑷它能通過(guò)失去合理的中性碎片（分子、游離基等），在低質(zhì)量區(qū)域產(chǎn)生重要的碎片離子。經(jīng)電離后，分

24、子離子可能損失1個(gè)H或CH3，H2O，C2H4…等碎片，相應(yīng)為 M-l， M-15， M-18，M-28…碎片峰，因?yàn)榉肿与x子碎裂時(shí)，失去4～5個(gè)氫或－CH2-一般是不可能的（4～14個(gè)碎片離子）。因此，在最右峰左側(cè)4～14個(gè)m/z處出現(xiàn)峰，則該最右峰不是母峰。,3.化學(xué)式的測(cè)定,⑴高分辨質(zhì)譜儀,由于高分辨的質(zhì)譜儀可以非常精確地測(cè)定分子離子或碎片離子的質(zhì)荷比（誤差可小于10-5），則可利用元素的確切質(zhì)量求算出其元素組成。如CO與N2兩

25、者的質(zhì)量數(shù)都是28，但可算出其確切質(zhì)量為27.9949與28.0061，若質(zhì)譜儀測(cè)得的質(zhì)荷比為28.0040則可推斷其為N2。同樣，復(fù)雜分子的化學(xué)式也可算出。,C11H24NO+ 200.1883C10H20N2O2+ 200.1520,R須約5500分辨即可分開(kāi),前提：能識(shí)別分子離子峰。,,⑵同位素質(zhì)量豐度,由于與有機(jī)物關(guān)系密切的元素都含同位素，天然同位素相對(duì)豐度已知，因此，同位素各峰相對(duì)強(qiáng)度成比例。,例： C

26、2H5Cl M+1 13C12CH535Cl+ M+2 13C2H535Cl+ , 12C2H537Cl+,同位素離子峰的強(qiáng)度，既取決于離子的種類(lèi)，也取決于分子中同位素的多少及天然豐度。,例如：因13C的豐度1.1%，故對(duì)于CH4，M+1 峰是分子離子峰的1.1%（一個(gè)碳）對(duì)于C2H6，M+1 峰是分子離子峰的2.2%（兩個(gè)碳）,一般，含C、

27、H、O、N的化合物，分子式CwHxNyOz,常用M+1 、M+2 表示M+1/ M、 M+2/M,各種化學(xué)式（C、H、O、N的各種組合）的M+1 、M+2 值，已由Beynon按上述公式計(jì)算出來(lái)。其質(zhì)量范圍在500以內(nèi)，稱(chēng)為貝農(nóng)質(zhì)譜數(shù)據(jù)表。 若已知分子離子的質(zhì)量數(shù)和M+1 、M+2 ，便可查出分子式。,Beynoon表中M=126的部分,二.分子結(jié)構(gòu)的測(cè)定,從化學(xué)結(jié)構(gòu)的角度來(lái)看，質(zhì)譜更大的用途是測(cè)定分子結(jié)構(gòu)。,程序:⑴查標(biāo)準(zhǔn)譜圖

28、 (library search)⑵未知物 首先在分子離子區(qū)進(jìn)行解釋。①確認(rèn)分子離子峰。注意它與基峰的相對(duì)強(qiáng)度，從而獲得分子穩(wěn)定性方面的信息。②注意M+質(zhì)量、奇偶數(shù)。③推出分子式。,然后分析碎片離子，找出主要離子峰，分析來(lái)源，推出結(jié)構(gòu)。,So far, the most successful approach for extracting structural information from spectra is the

29、library search. Libraries have been collected from different sources with large numbers of spectra; the most widely used are the Wiley data base with ca. 160 000 and the NIST data base with ca. 60 000 spectra; others, sp

30、ecializing in topics such as toxicology, agricultural chemicals, or foodstuffs, are also available .,It has become possible to identify not only similar spectra, but also the spectra of similar structures, revealing much

31、 of the complex relation between spectra and structures,,色譜一質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù),質(zhì)譜法可以進(jìn)行有效的定性分析，但對(duì)復(fù)雜有機(jī)化合物分析就無(wú)能為力了，而且在進(jìn)行有機(jī)物定量分析時(shí)要經(jīng)過(guò)一系列分離純化操作，十分麻煩。而色譜法對(duì)有機(jī)化合物是一種有效的分離和分析方法，特別適合進(jìn)行有機(jī)化合物的定量分析，但定性分析則比較困難，因此兩者的有效結(jié)合必將為化學(xué)家及生物化學(xué)家提供一個(gè)進(jìn)行復(fù)雜化合物高效的定性

32、定量分析的工具。 這種將兩種或多種方法結(jié)合起來(lái)的技術(shù)稱(chēng)為聯(lián)用技術(shù)，利用聯(lián)用技術(shù)的有氣相色譜一質(zhì)譜（GC-MS）和液相色譜-質(zhì)譜(LC-MS)。,,GC-MS數(shù)據(jù)的采集,有機(jī)混合物樣品用微量注射器由色譜儀進(jìn)樣口注入，經(jīng)色譜柱分離后進(jìn)入質(zhì)譜儀離子源, 在離子源被電離成離子。離子經(jīng)質(zhì)量分析器，檢測(cè)器之后即成為質(zhì)譜儀信號(hào)并輸入計(jì)算機(jī)。樣品由色譜柱不斷地流入離子源，離子由離子源不斷的進(jìn)入分析器并不斷的得到質(zhì)譜，只要設(shè)定好分析器掃描的質(zhì)量范

33、圍和掃描時(shí)間，計(jì)算機(jī)就可以采集到一個(gè)個(gè)的質(zhì)譜。,總離子色譜圖,計(jì)算機(jī)可以把采集到的每個(gè)質(zhì)譜的所有離子相加得到總離子強(qiáng)度,總離子強(qiáng)度隨時(shí)間變化的曲線就是總離子色譜圖,總離子色譜圖的橫座標(biāo)是出峰時(shí)間,縱座標(biāo)是峰高。圖中每個(gè)峰表示樣品的一個(gè)組份,由每個(gè)峰可以得到相應(yīng)化合物的質(zhì)譜圖；峰面積和該組份含量成正比,可用于定量。由總離子色譜圖可以得到任何一個(gè)組分的質(zhì)譜圖。,得到質(zhì)譜圖后可以通過(guò)計(jì)算機(jī)檢索對(duì)未知化合物進(jìn)行定性。目前色質(zhì)聯(lián)用儀的數(shù)據(jù)庫(kù)中，