53质谱分析应用 5.3.1有机质谱定性分析及图谱解析 质谱是有机纯物质鉴定的最有力的工具之一,包括相对分子量测定,化学式确定及结 构鉴定 1.分子量的测定 用电子轰击质谱的一般情况下,离子质荷比的数值与该离子的质量数相等。分子离子 是分子电离后聘并未碎裂的离子,是质谱测量中质量数最大的离子,质谱图中相应的分子 离子峰应在谱图的最高质荷比处。因此,从分子离子峰的质荷比数据可以准确地确定其相 对分子量。此法对有机分子具有独特效果比一般经典分子量测定方法快而准确且试样用量 但在实际判断质谱图的分子离子峰时,还应该注意到以下几点; 1)由于同位素的存在,质谱图上最高质荷比的离子峰不一定是分子离子峰,有机化合 物分子常见元素并非以单一同位素组成,因此分子离子常以同位素簇形式出现在质谱图上 分子离子同位素峰簇中各峰的相对强度可用同位素丰度比来判断,有助于我们确定低质量 同位素组成的分子离子的质荷比 例如CH3Cl由C、H、C1三个元素构成,由于H的同位素H的天然丰度低(0.015%), 因此仅考虑C、℃及5Cl、3Cl,在该质谱的分子离子峰簇中,除1CH35C1(M)峰外, 还有13CH3Cl(M+1)峰,1CH3Cl(M+2)峰及1CH3Cl(M+3)峰,彼此间的强度可 由丰度比(见表52.1)计算: M:Ml=1.00:0.011(仅与12C和13C丰度有关) M:M+2=1.00:0.32(仅与35C1和3C1丰度有关) (M+2):(M+3)=1.00:0.011(仅与12C和1C丰度有关) 整理后有 M:(M+1):(M+2):(M3)=1.00:0.011:0.32:0.0035 2)分子离子存在着合理的中性碎片(小分子和自由基)损失,是判断分子离子峰的最 重要依据。质谱图上不可能出现M-3至M-14及M-20至M25范围内的碎片峰,若出现 则M不可能是分子离子峰。因此分子离子不可能碎裂两个以上的氢原子或小于甲基的基团, 同时有机分子中也不含有质量数在20-25之间的基团 3)分子离子峰的质量数要符合“氮律”,不符合氮律就不是分子离子峰。 氮律,也称氮规律。表述如下:当分子中不含氮或含偶数个氮原子时,分子离子峰的
§5.3 质谱分析应用 5.3.1 有机质谱定性分析及图谱解析 质谱是有机纯物质鉴定的最有力的工具之一，包括相对分子量测定，化学式确定及结 构鉴定。 1．分子量的测定 用电子轰击质谱的一般情况下，离子质荷比的数值与该离子的质量数相等。分子离子 是分子电离后聘并未碎裂的离子，是质谱测量中质量数最大的离子，质谱图中相应的分子 离子峰应在谱图的最高质荷比处。因此，从分子离子峰的质荷比数据可以准确地确定其相 对分子量。此法对有机分子具有独特效果，比一般经典分子量测定方法快而准确，且试样用量 少。 但在实际判断 质谱图的分子离子峰时，还应该注意到以下几点； 1）由于同位素的存在，质谱图上最高质荷比的离子峰不一定是分子离子峰，有机化合 物分子常见元素并非以单一同位素组成，因此分子离子常以同位素簇形式出现在质谱图上。 分子离子同位素峰簇中各峰的相对强度可用同位素丰度比来判断，有助于我们确定低质量 同位素组成的分子离子的质荷比。 例如 CH3Cl 由 C、H、Cl 三个元素构成，由于 1H 的同位素 2H 的天然丰度低（0.015%）， 因此仅考虑 12C、13C 及 35Cl、37Cl，在该质谱的分子离子峰簇中，除 12CH3 35Cl（M）峰外， 还有 13CH3 35Cl（M+1）峰，12CH3 37Cl（M+2）峰及 13CH3 37Cl（M+3）峰，彼此间的强度可 由丰度比（见表 5.2.1）计算： M M+1 = 1.00 0.011 （仅与 12C 和 13C 丰度有关） M M+2 = 1.00 0.32 （仅与 35Cl 和 37Cl 丰度有关） （M+2） （M+3） = 1.00 0.011 （仅与 12C 和 13C 丰度有关） 整理后有 M （M+1） （M+2）（M+3）= 1.00 0.011 0.32 0.0035 2）分子离子存在着合理的中性碎片（小分子和自由基）损失，是判断分子离子峰的最 重要依据。质谱图上不可能出现 M-3 至 M-14 及 M-20 至 M-25 范围内的碎片峰，若出现， 则 M 不可能是分子离子峰。因此分子离子不可能碎裂两个以上的氢原子或小于甲基的基团， 同时有机分子中也不含有质量数在 20~25 之间的基团。 3）分子离子峰的质量数要符合“氮律”，不符合氮律就不是分子离子峰。 氮律，也称氮规律。表述如下：当分子中不含氮或含偶数个氮原子时，分子离子峰的
m/z值为偶数,即该化合物的分子量为偶数:当分子中含有奇数个氮原子时,分子离子峰的 m/z值为奇数,即该化合物的分子量为奇数。之所以有上述规律,主要是由于有机化合物中 除氮以外,其它元素的主要同位素的原子量和化合价(奇数化合价:H、3P、1°F、3C1 79Br:偶数化合价1C、16O、32S),同为奇数或同为偶数。 4)分子离子的稳定性与分子结构有关,而稳定性愈好,获得分子离子峰的强度大。 般稳定性顺序为:芳香环>共轭烯链>酯环化合物>某些含硫化合物>无分支直链烷 烃类>硫醇>酮>胺>脂>醚>酸>多分支烷烃类>醇。脂肪族分子量较大的 醇、胺、亚硝酸酯、硝酸酯等化合物,及高分支链化合物没有分子离子峰。但实际情况复 杂,例外很多。 如果未能出现分子离子峰,可以把电子轰击源常规操作使用70eV电子能量降低,也 可通过改变离子源的类型,采用软电离技术,或者通过制备衍生物等方法,求得分子量。 5)要注意某些有机化合物产生质子化分子离子(M)峰,如醚、脂、胺、酰按、腈 化物、氨基酸酯和胺醇等分子离子峰不稳定,可能会捕获质子,形成较强的(MH)’峰;也 会产生去质子分子离子(MH峰,如芳醛、某些醇和含氮化合物;也会产生缔合离子峰。 2.分子式的确定 有机化合物的分子式,可通过高分辨质谱仪的测量来确定。若以1C的相对原子量 12.0000作基准,则H为1.007825,14N为14003074,1O为15.994915。对于C1H20N6O4 和C12H20NO两者的相对分子质量依次为300.15459和300.143359,仅相差0011233。低 分辨质谱仪无法区别,用一台高分辨率,R为27000质谱仪就可区别出不同。因此可将高分 辨质谱仪测得相对分子质量,与质谱的分子量 Beynon表査对,确定分子式。现代质谱仪带 有计算机系统,可以给出分子离子及重要的碎片离子的元素组成式。 在低分辨的质谱仪上,可以用同位素相对丰度法推出其分子式。对于相对分子质量较 小,分子离子峰较强的化合物,用质谱法测得分子离子峰M及其分子离子的同位素峰(M+1) (M+2)的相对强度,求算出相对强度的(M+M和(M+2M比值,即分子离子的同位素 相对丰度数据,通过相对分子量及同位素相对丰度值,查阅 Beynon“质量和同位素丰度表”, 见表5-3-1,确定化合物分子式。表5-3-1列出了按化学式标出相对分子质量顺序,列出了 含C、H、O、N的各种组合。需要注意的是该表只适用于C,H,O和N的化合物,并以 分子离子峰为100标出同位素的相对丰度值 现举例说明,例如某一化合物在质谱图上的分子离子峰m=206(M),相对强度为 2590%;同位素峰m/=207(M+1),相对强度为3.24%:m/=208(M+2),相对强度为248% 试确定其化学式 对上述问题首先要判别除含C,H,O和N外是否还有其它元素。方法是将质谱图的相 对强度数据转换成以分子离子峰为标准的同位素丰度,即206(M)为100时,则207(M+1)
m/z 值为偶数，即该化合物的分子量为偶数；当分子中含有奇数个氮原子时，分子离子峰的 m/z 值为奇数，即该化合物的分子量为奇数。之所以有上述规律，主要是由于有机化合物中 除氮以外，其它元素的主要同位素的原子量和化合价（奇数化合价：1H、31P、19F、35Cl、 79Br；偶数化合价 12C、16O、32S），同为奇数或同为偶数。 4）分子离子的稳定性与分子结构有关，而稳定性愈好，获得分子离子峰的强度大。一 般稳定性顺序为：芳香环 > 共轭烯链 > 酯环化合物 > 某些含硫化合物 > 无分支直链烷 烃类 > 硫醇 > 酮 > 胺 > 脂 > 醚 > 酸 > 多分支烷烃类 > 醇。脂肪族分子量较大的 醇、胺、亚硝酸酯、硝酸酯等化合物，及高分支链化合物没有分子离子峰。但实际情况复 杂，例外很多。 如果未能出现分子离子峰，可以把电子轰击源常规操作使用 70 eV 电子能量降低，也 可通过改变离子源的类型，采用软电离技术，或者通过制备衍生物等方法，求得分子量。 5）要注意某些有机化合物产生质子化分子离子(M+H)+ 峰，如醚、脂、胺、酰按、腈 化物、氨基酸酯和胺醇等分子离子峰不稳定，可能会捕获质子，形成较强的(M+H)+ 峰；也 会产生去质子分子离子(M-H)+峰，如芳醛、某些醇和含氮化合物；也会产生缔合离子峰。 2．分子式的确定 有机化合物的分子式，可通过高分辨质谱仪的测量来确定。若以 12C 的相对原子量 12.000000 作基准，则 1H 为 1.007825，14N 为 14.003074，16O 为 15.994915。对于 C11H20N6O4 和 C12H20N4O5 两者的相对分子质量依次为 300.154592 和 300.143359，仅相差 0.011233。低 分辨质谱仪无法区别，用一台高分辨率，R 为 27000 质谱仪就可区别出不同。因此可将高分 辨质谱仪测得相对分子质量，与质谱的分子量 Beynon 表查对，确定分子式。现代质谱仪带 有计算机系统，可以给出分子离子及重要的碎片离子的元素组成式。 在低分辨的质谱仪上，可以用同位素相对丰度法推出其分子式。对于相对分子质量较 小，分子离子峰较强的化合物，用质谱法测得分子离子峰 M 及其分子离子的同位素峰（M+1） （M+2）的相对强度，求算出相对强度的(M+1)/M 和(M+2)/M 比值，即分子离子的同位素 相对丰度数据，通过相对分子量及同位素相对丰度值，查阅 Beynon“质量和同位素丰度表”， 见表 5-3-1，确定化合物分子式。表 5-3-1 列出了按化学式标出相对分子质量顺序，列出了 含 C、H、O、N 的各种组合。需要注意的是该表只适用于 C，H，O 和 N 的化合物，并以 分子离子峰为 100 标出同位素的相对丰度值。 现举例说明，例如某一化合物在质谱图上的分子离子峰 m/z=206（M），相对强度为 25.90%；同位素峰 m/z=207（M+1），相对强度为 3.24%；m/z=208（M+2），相对强度为 2.48%。 试确定其化学式。 对上述问题首先要判别除含 C，H，O 和 N 外是否还有其它元素。方法是将质谱图的相 对强度数据转换成以分子离子峰为标准的同位素丰度，即 206（M）为 100 时，则 207（M+1）
为1251,208(M+2)为9.58。有(M+2)/M=00958,查表52.1可得出在此化学式中不可 能存在C1和Br元素,而有可能存在2个S。 第二步是扣除S原子贡献后的同位素丰度值:9.58-2×444-0.70(M+2) 1251-2×0.82=10.87(M+1)。修正后的相对分子量206-2×32=14 再后查 Beynon表(表531)。根据“氮律”可排除一些分子式,最后找到C1oHO数 值与修正值最接近。因此某化合物的最可能化学式为C1oH6OS2。 表53.1质量和同位素丰度表(节选) M+1 A+2 相对分子量 141 CaHN O4 5.26 0.92 140.9936 C4H3N3 O3 5.63 0.73 141.0175 CAH2N20 0.92 142.0014 CoHaN 10.58 0.51 1420532 COhN l116 0.56 142.1722 COhO 10.94 0.74 142.0419 Cohen l132 0.58 142.0657 12.05 0.66 142.0783 3.结构的鉴定 有机纯物质的结构鉴定是质谱最成功的应用领域。一种方法是将质谱图与相同条件下 获得的已知物质的标准图谱比较来确认样品分子的结构。 另一种方法是通过对质谱图的各碎片离子、亚稳离子、分子离子的化学式,质荷比及 相对峰高等信息,根据各类化合物的断裂规律,找出各碎片离子形成的过程,拼出整个分 子结构。对照其他分析方法,最终获得可靠结构式 在获得化合物的相对分子量和化学式后,可按下列程序解析质谱 1)化学式计算饱和度。 2)从分子离子峰相对于其他峰的强度,整个谱图碎片离子峰的多少,低质量端的碎 片离子系列等可对化合物的结构类型提供线索。如芳香化合物分子离子峰较强,碎片峰少 3)注意分子离子峰与高质量数碎片离子峰以及碎片离子峰之间的m/ε的差值。找到 分子离子峰可能脱掉的碎片或中性分子,以此推测分子结构和断裂的类型 4)注意谱图上存在的那些重要离子,特别是奇电子离子,其质量数符合氮律,他们的 出现意味着分子中发生重排或消去反应,这对推断结构有重要意义
为 12.51，208（M+2）为 9.58。有（M+2）/M=0.0958，查表 5.2.1 可得出在此化学式中不可 能存在 Cl 和 Br 元素，而有可能存在 2 个 S。 第二步是扣除 S 原子贡献后的同位素丰度值： 9.58-2×4.44=0.70 （ M+2 ）； 12.51-2×0.82=10.87（M+1）。修正后的相对分子量 206-2×32=142。 再后查 Beynon 表（表 5.3.1）。根据“氮律”可排除一些分子式，最后找到 C10H6O 数 值与修正值最接近。因此某化合物的最可能化学式为 C10H6OS2。 表 5.3.1 质量和同位素丰度表（节选） M+1 M+2 相对分子量 141 C4HN2O4 5.26 0.92 140.9936 C4H3N3O3 5.63 0.73 141.0175 ... ... ... ... 142 C4H2N2O4 5.27 0.92 142.0014 ... ... ... ... C9H6N2 10.58 0.51 142.0532 C10H12 11.16 0.56 142.1722 C10H6O 10.94 0.74 142.0419 C10H8N 11.32 0.58 142.0657 C11H10 12.05 0.66 142.0783 3．结构的鉴定 有机纯物质的结构鉴定是质谱最成功的应用领域。一种方法是将质谱图与相同条件下 获得的已知物质的标准图谱比较来确认样品分子的结构。 另一种方法是通过对质谱图的各碎片离子、亚稳离子、分子离子的化学式，质荷比及 相对峰高等信息，根据各类化合物的断裂规律，找出各碎片离子形成的过程，拼出整个分 子结构。对照其他分析方法，最终获得可靠结构式。 在获得化合物的相对分子量和化学式后，可按下列程序解析质谱。 1） 化学式计算饱和度。 2） 从分子离子峰相对于其他峰的强度，整个谱图碎片离子峰的多少，低质量端的碎 片离子系列等可对化合物的结构类型提供线索。如芳香化合物分子离子峰较强，碎片峰少。 3） 注意分子离子峰与高质量数碎片离子峰以及碎片离子峰之间的 m/z 的差值。找到 分子离子峰可能脱掉的碎片或中性分子，以此推测分子结构和断裂的类型。 4） 注意谱图上存在的那些重要离子，特别是奇电子离子，其质量数符合氮律，他们的 出现意味着分子中发生重排或消去反应，这对推断结构有重要意义
5)若有亚稳峰存在,利用m=(m)2/m的关系式,找出m和m,并推断M1→M2 的碎裂过程 6)按多种可能方式,连接已知的结构碎片及剩余的结构碎片,提出可能结构式。 需注意的是,对小分子量、结构较简单的化合物,仅靠质谱数据有可能推出结构;对 分子量较大的化合物结构,必须依靠几种谱图的综合分析 表5.3.2从分子离子脱去的常见碎片的质量数 质量数碎片(游离基或中性分子)质量数碎片(游离基或中性分子) 15 CH3 45 CH3CH2OH·,CHCH20 OH 46 CH3CH2OH, NO2 (H 0+CH=CH2) CH≡CH CH2=CH·,HC≡N CH3SH CHCI CHO CH, =CH-CH=CH NH2 CH2·,CHLO,NO 55 CH=CHCHCH3 0CH,· CH2OH,CHNH2 CH2=CHCH2CH3 CH3OH HS·,(·CH3+H2O) CH3OC=O, CH,CONH CaHTOH CH3CH2S HCI (H2S+CH2 =CH2) CH3C≡CH 64CH3CH.CI 41 CH2=CHCH3, CH2 =C=0 8 CH2=C(CH3)-CH=CH2 Cl·,CHCO·,CH=CH-0 CH2=CHOH, COz CHCHOC=O 例如分析下面未知有机物质谱图,由碎片离子的断裂规律,确定有机物分子的组成和 结构 图5.3.1未知有机物质谱图
5) 若有亚稳峰存在，利用 m*=（m2）2 /m1 的关系式，找出 m1 和 m2，并推断 M1→M2 的碎裂过程。 6) 按多种可能方式，连接已知的结构碎片及剩余的结构碎片，提出可能结构式。 需注意的是，对小分子量、结构较简单的化合物，仅靠质谱数据有可能推出结构；对 分子量较大的化合物结构，必须依靠几种谱图的综合分析。 表 5.3.2 从分子离子脱去的常见碎片的质量数 质量数 碎片（游离基或中性分子） 质量数 碎片（游离基或中性分子） 15 ·CH3 45 CH3CH2OH·, CH3CH2O· 17 ·OH 46 CH3CH2OH, NO2, 18 H2O (H2O+CH2=CH2) 26 CH≡CH, ·C≡N 47 CH3S· 27 CH2=CH·,HC≡N 48 CH3SH 28 CH2=CH2, CO 49 ·CH2Cl 29 CH3CH2·, ·CHO 54 CH2=CH-CH=CH2 30 NH2CH2·, CH2O, NO 55 ·CH=CHCHCH3 31 ·OCH3,·CH2OH, CH3NH2 56 CH2=CHCH2CH3 32 CH3OH 57 ·C4H9 33 HS·, (·CH3+H2O) 59 CH3OC=O , CH3CONH2 34 H2S 60 C3H7OH 35 Cl· 61 CH3CH2S• 36 HCl 62 (H2S+CH2=CH2) 40 CH3C≡CH 64 CH3CH2Cl 41 CH2=CHCH3, CH2=C=O 68 CH2=C(CH3)-CH=CH2 43 C3H7·,CH3CO·,CH2=CH-O· 71 ·C5H11 44 CH2=CHOH, CO2 73 CH CH OC = O • 3 2 例如分析下面未知有机物质谱图，由碎片离子的断裂规律，确定有机物分子的组成和 结构。 图 5.3.1 未知有机物质谱图
表5.3.3常见碎片离子 离子 61 CH3 CO(OH2) CnH8·,CH5N H2O· CH, CH2SH 91/93(3:1) 26C2H H,S C2H 3/95(1:1)CH2Br 28C0·:,CH·,N2·|68CHCH2CHCN 29CHO’,C2H5 CsHg CH=NH2 CsH10· CH2=OTH CsH1l C3H7CO CH2=COHC2H5·|CHO 36/38(3:1)HCl C3H CH=N H2 ChOo* COoC H5 ShSs C3H (CH3)3Si C3H5+ CH2-C(OH)OCH3 42C2H2O·,CH5 (CH32SIOH 43 CH3 CO C3H7 C2Hs CO(OH2) 44 C2H6N0-C-NH276 105 ChS CO CHo CO2·,CsH C6H5+ 44 CH2=CH(OH) 78 C6H6· C,haN c7H70 CH2=0*CH3 C6H7+ 107/109(1:1)C2H4Br CH3CH=OH 79/81(1:1)Br 47 CH2=STH 80/82(1:1)HBr 49/51(3:1)CH2C1 21 ChOo CsH6N 122 C6H5COOH+ 81 CsSo C4H 123 C6H5COOH, C4H3 83/85/87(96:1)HCCl2 C4H7+ 56 C4H8 135/137(1:1) 85 CAHi:* ChOcO+ CH2=C(OH)CH 130 CohN ChAn COoCH3 86 CH2-C(OH)C3H,147(CH, )2 Si=0-Si(CH,) C2H5CH=OH CAHoCH=NH2 CH2=0+-C2H5 87 CH2=CH-C(OCH3) CH2=C(OHOH 91C7H 190C1H12NO
表 5.3.3 常见碎片离子 m/e 离子 m/e 离子 m/e 离子 15 CH3 + 18 H2O·+ 26 C2H2· + 27 C2H3 + 28 CO·+ ,C2H4·+ ,N2·+ 29 CHO+ , C2H5 + 30 CH2=NH2 31 CH2=O+H 36/38(3:1) HCl· + 39 C3H3 + 40 C3H4·+ 41 C3H5 + 42 C2H2O· + ,C3H6· + 43 CH3CO+ ,C3H7 + 44 C2H6N+ ,O=C=N+H2 44 CO2·+ ,C3H8·+ 44 CH2=CH(OH)· + 45 CH2=O+CH3 CH3CH=OH + 47 CH2=S+H 49/51(3:1) CH2Cl+ 50 C4H2· + 51 C4H3 + 55 C4H7 + 56 C4H8· + 57 C4H9 + ,C2H5CO+ 58 CH2=C(OH)CH3·+ C3H8N+ 59 COOCH3 + CH2=C(OH)NH2·+ C2H5CH=O+H CH2=O+ -C2H5 60 CH2=C(OH)OH· + 61 CH3CO(OH2) + CH2CH2SH+ 66 H2S2· + 69 CF3 + 68 CH2CH2CH2CN• + 69 C5H9 + 70 C5H10·+ 71 C5H11+ ,C3H7CO+ 72 CH2=C(OH)C2H5·+ C3H7CH=N+H2 73 C4H9O+ COOC2H5 + (CH3)3Si+ 74 CH2=C(OH)OCH3· + 75 (CH3)2Si=O+H C2H5CO(OH2) + 76 C6H4· + 77 C6H5 + 78 C6H6· + 79 C6H7 + 79/81(1:1) Br+ 80/82(1:1) HBr· + 80 C5H6N+ 81 C5H5O+ 83/85/87(9:6:1) HCCl2 + 85 C6H13+ , C4H9CO+ 86 CH2=C(OH)C3H7· + C4H9CH=NH2 + 87 CH2=CH-C(OCH3 ) + OH 91 C7H7 + 92 C7H8·+ ,C6H6N + 91/93(3:1) 93/95(1:1) CH2Br+ 94 C6H6O·+ 95 C6H7O+ 97 C5H5S + 99 105 C6H5CO+ C8H9 + 106 C7H8N+ 107 C7H7O+ 107/109(1:1) C2H4Br+ 111 121 C8H9O+ 122 C6H5COOH+ 123 C6H5COOH2 + 127 I+ 128 HI+ 135/137(1:1) 130 C9H8N+ 141 CH2I + 147 3 2 3 3 (CH ) Si = O− Si(CH ) + 149 160 C10H10NO+ 190 C11H12NO2 + Cl + N H C O + O C O + O O + O O + S C O + O + O O Br + CO OH CO +