質(zhì)譜解析的一般步驟

什么是質(zhì)譜？

質(zhì)譜，物質(zhì)的分子在高真空下，經(jīng)物理作用或化學(xué)反應(yīng)等途徑形成帶電粒子, 某些帶電粒子可進(jìn)一步斷裂，形成離子，每一離子的質(zhì)量與所帶電荷的比稱為質(zhì)荷比(m/z,曾用m/e)，不同質(zhì)荷比的離子經(jīng)質(zhì)量分離器一一分離后，由檢測器測定每一離子的質(zhì)荷比及相對強度，由此得出的譜圖稱為質(zhì)譜。

當(dāng)然，對于復(fù)雜的有機化合物的定性，還要借助于紅外光譜、紫外光譜、核磁共振等分析方法。

質(zhì)譜解析是一種非常困難的事情。自從有了計算機聯(lián)機檢索之后，特別是數(shù)據(jù)庫越來越大的今天，盡管靠人工解析El質(zhì)譜已經(jīng)越來越少，但是，為了加深對化合物分子斷裂規(guī)律的了解，作為計算機檢索結(jié)果的檢驗和補充手段，質(zhì)譜圖的人工解析還有它的作用，特別是對于譜庫中不存在的化合物質(zhì)譜的解析。另外，在MS/MS分析中，對子離子譜的解析，目前還沒有現(xiàn)成的數(shù)據(jù)庫，主要靠人工解析。因此，學(xué)習(xí)一些質(zhì)譜解析方面的知識，在目前仍然是有必要的。

El質(zhì)譜的解析

1.分子量的確定

分子離子的質(zhì)荷比就是化合物的分子量。因此，在解析質(zhì)譜時首先要確定分子離子峰，通常判斷分子離子峰的方法如下：

1.分子離子峰一定是質(zhì)譜中質(zhì)量數(shù)最大的峰，它應(yīng)處在質(zhì)譜的最右端。

2.分子離子峰應(yīng)具有合理的質(zhì)量丟失。也即在比分子離子小4～14及20～25個質(zhì)量單位處，不應(yīng)有離子峰出現(xiàn)。否則，所判斷的質(zhì)量數(shù)最大的峰就不是分子離子峰。因為一個有機化合物分子不可能失去4～14個氫而不斷鏈。如果斷鏈，失去的最小碎片應(yīng)為CH3，它的質(zhì)量是15個質(zhì)量單位。同樣，也不可能失去20～25個質(zhì)量單位。

3.分子離子應(yīng)為奇電子離子，它的質(zhì)量數(shù)應(yīng)符合氮規(guī)則。所謂氮規(guī)則是指在有機化合物分子中含有奇數(shù)個氮時，其分子量應(yīng)為奇數(shù)。含有偶數(shù)個(包括0個)氮時，其分子量應(yīng)為偶數(shù)。這是因為組成有機化合物的元素中，具有奇數(shù)價的原子具有奇數(shù)質(zhì)量，具有偶數(shù)價的原子具有偶數(shù)質(zhì)量，因此，形成分子之后，分子量一定是偶數(shù)。而氮則例外，氮有奇數(shù)價而具有偶數(shù)質(zhì)量，因此，分子中含有奇數(shù)個氮，其分子量是奇數(shù)，含有偶數(shù)個氮，其分子量一定是偶數(shù)。

如果某離子峰完全符合上述三項判斷原則，那么這個離子峰可能是分子離子峰；如果三項原則中有一項不符合，這個離子峰就肯定不是分子離子峰。應(yīng)該特別注意的是，有些化合物容易出現(xiàn)M-1峰或M+1峰，另外，在分子離子很弱時，容易和噪聲峰相混，所以，在判斷分子離子峰時要綜合考慮樣品來源、性質(zhì)等其他因素。

如果判斷沒有分子離子峰或分子離子峰不能確定，則需要采取軟電離方式，如化學(xué)電離源、場解吸源及電噴霧電離源等。要根據(jù)樣品特點選用合適的離子源。軟電離方式得到的往往是準(zhǔn)分子離子，然后由準(zhǔn)分子離子推斷出真正的分子量。

2.分子式的確定

利用一般的El質(zhì)譜很難確定分子式。在早期，曾經(jīng)有人利用分子離子峰的同位素峰來確定分子組成式。有機化合物分子都是由C、H、O、N等元素組成的，這些元素大多具有同位素，由于同位素的貢獻(xiàn)，質(zhì)譜中除了有質(zhì)量為M的分子離子峰外，還有質(zhì)量為M+1、M+2的同位素峰。

由于不同分子的元素組成不同，不同化合物的同位素豐度也不同，貝農(nóng)(Beynon)將各種化合物(包括C、H、O、N的各種組合)的M、M+1、M+2的強度值編成質(zhì)量與豐度表，如果知道了化合物的分子量和M、M+1、M+2的強度比，即可查表確定分子式。

例如，某化合物分子量M=150(豐度100％), M+1的豐度為9.9％，M+2的豐度為0.88％，求化合物的分子式。根據(jù)Beynon表可知，M=150化合物有29個，其中與所給數(shù)據(jù)相符的為C9H10O2。這種確定分子式的方法要求同位素峰的測定十分準(zhǔn)確。而且只適用于分子量較小，分子離子峰較強的化合物，如果是這樣的質(zhì)譜圖，利用計算機進(jìn)行庫檢索得到的結(jié)果一般都比較好，不需再計算同位素峰和查表。因此，這種查表的方法已經(jīng)不再使用。

利用高分辨質(zhì)譜儀可以提供分子組成式。因為碳、氫、氧、氮的原子量分別為12.000000、1.007825、15.994914、14.003074，如果能精確測定化合物的分子量，可以由計算機輕而易舉地計算出所含不同元素的個數(shù)。目前傅里葉變換質(zhì)譜儀、雙聚焦質(zhì)譜儀、飛行時間質(zhì)譜儀等都能給出化合物的元素組成。

3.分子結(jié)構(gòu)的確定

從前面的敘述可以知道，化合物分子電離生成的離子質(zhì)量與強度，與該化合物分子的本身結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系。也就是說，化合物的質(zhì)譜帶有很強的結(jié)構(gòu)信息，通過對化合物質(zhì)譜的解析，可以得到化合物的結(jié)構(gòu)。

一張化合物的質(zhì)譜圖包含有很多的信息，根據(jù)使用者的要求，可以用來確定分子量、驗證某種結(jié)構(gòu)、確認(rèn)某元素的存在，也可以用來對完全未知的化合物進(jìn)行結(jié)構(gòu)鑒定。對于不同的情況解析方法和側(cè)重點不同。質(zhì)譜圖一般的解析步驟如下：

(1)由質(zhì)譜的高質(zhì)量端確定分子離子峰，求出分子量，初步判斷化合物類型及是否含有CI、Br、S等元素。

(2)根據(jù)分子離子峰的高分辨數(shù)據(jù)，給出化合物的組成式。

(3)由組成式計算化合物的不飽和度，即確定化合物中環(huán)和雙鍵的數(shù)目。計算方法為：

例如，苯的不飽和度

不飽和度表示有機化合物的不飽和程度，計算不飽和度有助于判斷化合物的結(jié)構(gòu)。

(4)研究高質(zhì)量端離子峰。質(zhì)譜高質(zhì)量端離子峰是由分子離子失去碎片形成的。從分子離子失去的碎片，可以確定化合物中含有哪些取代基。常見的離子失去碎片的情況有：

(5)研究低質(zhì)量端離子峰，尋找不同化合物斷裂后生成的特征離子和特征離子系列。例如，正構(gòu)烷烴的特征離子系列為m/z 15、29、43、57、71等，烷基苯的特征離子系列為m/z91、77、65、39等。根據(jù)特征離子系列可以推測化合物類型。

(6)通過上述各方面的研究，提出化合物的結(jié)構(gòu)單元。再根據(jù)化合物的分子量、分子式、樣品來源、物理化學(xué)性質(zhì)等，提出一種或幾種最可能的結(jié)構(gòu)。必要時，可根據(jù)紅外光譜和核磁共振數(shù)據(jù)得出最后結(jié)果。

(7)驗證所得結(jié)果。驗證的方法有：將所得結(jié)構(gòu)式按質(zhì)譜斷裂規(guī)律分解，看所得離子和所給未知物譜圖是否一致；查該化合物的標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)譜圖，看是否與未知譜圖相同；尋找標(biāo)樣，做標(biāo)樣的質(zhì)譜圖，與未知物譜圖比較等各種方法。

例1 試判斷質(zhì)譜圖1、圖2分別是2-戊酮還是3-戊酮的質(zhì)譜圖。寫出譜圖中主要離子的形成過程。

圖1 未知物質(zhì)譜圖

圖2 未知物質(zhì)譜圖

解：由圖1 可知，m/z 57和m/z 29很強，且豐度近似。m/z 86分子離子峰的質(zhì)量比附近最大的碎片離子m/z 57大29u，該質(zhì)量差屬合理丟失，且與碎片結(jié)構(gòu)C2H5相符合。據(jù)此可判斷圖1是3-戊酮的質(zhì)譜，m/z 57由a斷裂產(chǎn)生，m/z 29由i斷裂產(chǎn)生。圖2是2-戊酮的質(zhì)譜，圖中的基峰為m/z43，其它離子的豐度都很低，這是2-戊酮進(jìn)行a斷裂和i斷裂所產(chǎn)生的兩種離子質(zhì)量相同的結(jié)果。

例2 未知物質(zhì)譜圖見圖3，紅外光譜顯示該未知物在1150～1070cm-1有強吸收，試確定其結(jié)構(gòu)。

圖3 未知物質(zhì)譜圖

解：從質(zhì)譜圖可得知以下結(jié)構(gòu)信息：

①m/z 88為分子離子峰；

②m/z 88與 m/z 59質(zhì)量差為29u，為合理丟失，且丟失的片斷可能為C2H5或CHO;

③譜圖中有m/z 29, m/z 43離子峰，說明可能存在乙基、正丙基或異丙基；

④基峰m/z 31為醇或醚的特征離子峰，表明化合物可能是醇或醚。

由于IR譜在1740～1720cm-1和3640～3620cm-1無吸收，可否定化合物為醛和醇。因為醚的m/z 31峰可通過以下重排反應(yīng)產(chǎn)生

據(jù)此反應(yīng)及其他質(zhì)譜信息，推測未知物可能的結(jié)構(gòu)為

質(zhì)譜中主要離子的產(chǎn)生過程：

例3 由元素分析測得某化合物的組成式為C8H8O2，其質(zhì)譜圖見圖4，確定化合物結(jié)構(gòu)式。

該化合物分子量M=136。該化合物的不飽和度

U＝8-8/2＋0/2＋1＝5

由于不飽和度為5，而且質(zhì)譜中存在m/z 77、39、51等峰，可以推斷該化合物中含有苯環(huán)。

高質(zhì)量端質(zhì)譜峰m/z 105是m/z 136失去質(zhì)量為31的碎片(-CH2OH或-OCH3)產(chǎn)生的，m/z 77(苯基)是m/z 105失去質(zhì)量為28的碎片(-CO或-C2H4)產(chǎn)生的。因為質(zhì)譜中沒有m/z 91離子，所以m/z 77對應(yīng)的是105失去CO，而不是105失去C2H4。

由此，推斷化合物的結(jié)構(gòu)為：

兩種化合物各自的標(biāo)準(zhǔn)譜圖見圖4和圖5。

圖4 1-苯基-2-羥基乙酮標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)譜圖

圖5 苯甲酸甲酯標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)譜圖

例4 某未知物質(zhì)譜圖如圖6，試確定其結(jié)構(gòu)。

圖6 未知物質(zhì)譜圖

由質(zhì)譜圖可以確定該化合物的分子量M=154。m/z 156是m/z154的同位素峰。

由m/z 154和m/z 156之比約為3：1，可以推測化合物中含有一個Cl原子。

m/z 154失去15個質(zhì)量單位(CH3)得m/z 139離子。

m/z 139失去28個質(zhì)量單位(CO,C2H4)得m/z 111離子。

m/z 77、m/z 76、m/z 51是苯環(huán)的特征離子。

m/z 43可能是-C3H7或-COCH3生成的離子。

由以上分析可知，該化合物存在的結(jié)構(gòu)單元可能有：

根據(jù)質(zhì)譜圖及化學(xué)上的合理性，提出未知物的可能結(jié)構(gòu)為：

上述三種結(jié)構(gòu)中，如果是(b)，則質(zhì)譜中必然有很強的m/z 125離子，這與所給譜圖不符；如果是(c)，根據(jù)一般規(guī)律，該化合物也應(yīng)該有m/z 125離子，盡管離子強度較低，所以，是這種結(jié)構(gòu)的可能性較小；如果是(a)，其斷裂情況與譜圖完全一致。

如果只依靠質(zhì)譜圖的解釋，可能給出(a)和(c)兩種結(jié)構(gòu)式。然后用下面的方法進(jìn)一步判斷：

①查(a)、(c)的標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)譜圖(圖7、圖8?？茨膫€與未知譜圖相同。

②利用標(biāo)樣做質(zhì)譜圖，看哪個譜圖與未知物譜圖相同。

③利用MS-MS聯(lián)用技術(shù)，確定離子間的相互關(guān)系，進(jìn)一步分析譜圖，最后確定未知物結(jié)構(gòu)。

圖7 1-(4-氯苯基)-乙酮

圖8 1-氯-4-異丙基苯

“質(zhì)譜”是質(zhì)量譜，大部分實驗不能僅僅使用質(zhì)譜，而是氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(以下簡稱GC-MS)。簡單說，復(fù)雜混合物通過氣相色譜后被分離成相對簡單的組分，每個組分分別被離子化帶上電荷，由于質(zhì)量不同而在質(zhì)譜檢測器上呈現(xiàn)出不同的質(zhì)量/電荷比。由于離子化的過程中一些的化學(xué)鍵可能發(fā)生斷裂，因此不同的化學(xué)結(jié)構(gòu)往往呈現(xiàn)出不同的質(zhì)譜圖，通過比對，可以對物質(zhì)進(jìn)行定性檢測。