质谱技术裂解机理的初步认识
质谱 esi 裂解原理
质谱esi 裂解原理质谱（Mass Spectrometry，MS）技术是一种用于分析化合物的重要方法，可以提供关于化合物的相对分子质量和结构信息。
其中，电喷雾离子化（Electrospray Ionization，ESI）是质谱中常用的一种离子化方式。
本文将逐步介绍质谱ESI裂解原理。
第一部分：质谱基本原理与质谱仪构成1.1 质谱基本原理质谱利用电离过程将待测样品分子转化为带电离子，然后基于质量和电荷的差异对其进行分离和检测。
质谱原理包括样品离子化、离子加速、离子分离和离子检测四个基本环节。
1.2 质谱仪构成质谱仪主要由离子源、质量分析器和检测器三部分组成。
其中离子源负责将待测样品离子化，质量分析器用于分离不同质量的离子，检测器用于检测并记录离子的信号。
第二部分：ESI离子源原理2.1 ESI基本原理ESI是一种软离子化技术，适用于大部分有机化合物、生物大分子以及高沸点物质等。
在ESI过程中，待测样品通过毛细管等载流体进入电荷分离区，在高电压下形成带电液滴，随后由于溶剂的蒸发和蒸发效应，形成带电的高电荷多原子离子。
2.2 ESI离子源工作原理ESI离子源主要由电荷分离区、中和区和离子传输区组成。
其中，电荷分离区的高电压使得待测样品形成带电滴，并进一步产生带电离子。
中和区则用于中和离子中的多余电荷，以避免离子之间的相互作用和碎裂。
第三部分：质谱ESI裂解原理3.1 质谱ESI裂解简介质谱ESI裂解是在质谱仪中使用ESI离子源，利用碰撞诱导解离（Collision Induced Dissociation，CID）等技术将离子进一步裂解，从而获得更多结构信息。
3.2 ESI裂解过程ESI裂解主要通过在离子的轨道上提供一定的能量，使其与气体靶标发生碰撞，促使离子断裂并形成离子片段。
这些离子片段的质荷比与原始离子有所不同，从而可以得到该化合物的结构信息。
3.3 ESI裂解机理ESI离子在碰撞过程中会发生多种离子反应，如碰撞激发、电子转移、质子转移等，导致离子的断裂和重新组合。
有机质谱中的裂解反应讲解
41
精品资料
3.芳烃 1）芳烃类化合物稳定，分子离子峰强。 2）有烷基取代的，易发生(fāshēng) Cα－C β 键的裂解，生成的苄 基离子往
往是基峰。91＋14 n－－苄基苯系列。 3）也有 α 断裂，有多甲基取代时，较显著。 4）四元环重排； 有 γ-H，麦氏重排； RDA 裂解。 5）特征峰：39、51、65、77、、78、91、92、93
具有环己烯结构类型的化合物可发生(fāshēng)此类裂解，一般 成一个共轭二烯正离子和一个烯烃中性碎片：
碎片离子及裂解机制的应用
（1）可以对一个具体的有机化合物的质谱进行解释
（2）可以鉴定化合物。
精品资料
精品资料
5.3.3有机化合物的一般(yībān)裂解规律
1. 偶电子规律(guīlǜ) 偶电子离子裂解，一般只能生成偶电子离子。
通常，分支处的长碳链将最易以游离(yóulí)基形式首先脱出。
脱去游离基的顺序是：
•C 4H 9•C 2H 5•C3H
支链烷烃的分子离子峰明显下降，支化程度高的烷烃检测 不到分子离子峰。
精品资料
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 CnH2n-1 峰， 也常伴随氢原子的失去(shīqù)，因此该 CnH2n-2
M C1 6
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180190200 210220230
精品资料
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(dǐngdiǎn)不再形成一平滑曲线， 因在分枝处易
峰较强。 （41、55、56、69…）
有机质谱裂解机理中的特征裂解方式
质谱裂解机理中的特征裂解方式有机质谱中的裂解是极其复杂的，但是通过对其质谱裂解方式和机理的探讨研究，我们可以发现有一些特征结构裂解方式在有机质谱的裂解中是普遍存在的，是世界上的大量质谱学家通过对大量的有机质谱裂解方式进行观察、研究后的概括性总结。
所以其具有很重要的参考价值和应用价值，所以在有机质谱解析过程中，必须予以遵循，如此方能得到合理的质谱裂解方式和解析结果。
通过概括总结我们发现有机质谱中大部分化合物具有以下几种特征裂解方式：α裂解、苄基裂解、烯丙基裂解、麦氏重排裂解、DRA 裂解（逆狄尔斯阿尔德反应），几种特征裂解方式的强弱顺序如下：苄基裂解>α裂解、i 裂解>麦氏重排裂解、DRA 裂解>烯丙基裂解当然这种顺序不是一成不变的，随着化合物的结构发生改变，这些特征裂解方式的顺序有可能会发生改变，有机化合物质谱裂解大致可以分为两类α裂解（均裂）、β裂解，我们上面所讲的苄基裂解、烯丙基裂解、麦氏重排裂解、DRA 裂解都属于β裂解。
下面我们对几种特征裂解方式做以说明。
1、特征裂解方式一、α裂解α裂解是指凡具有C-X 单键基团和C=X 双键基团（其中X=C 、O 、S 、Cl 等）的有机分子，与该基团原子相连接的单键、称之为α键，在电子轰击条件下，该键很容易断裂因而称之为α断裂。
断键时成键的两个原子各自收回一个电子，这是由游离基中心引发的反应，原动力来自游离基的电子强烈配对倾向，所以α断裂属于均裂。
其裂解的机理及通式如下： I 饱和中心R 2C YR +H 2CCH2+ II 不饱和杂原子R RCY +几类化合物的α裂解 (1)H 3CCH 2OH 3H 2COH +(2)H 3CH 2C H 2CCH 3H 2COH 2CCH 3+CH 3(3)CH 3OO+H 2C CH 3(4)H NOCH 3O αH NO+OCH 3引发α断裂的倾向是由游离基中心给电子的能力决定的，一般来讲N>S 、O 、π、烷基>Cl 、Br>H ，同时α断裂遵循最大烷基游离基丢失的原则。
质谱裂解机理认识
质朴裂解机理的认识摘要：综观一张质谱图，除了分子离子峰外，还可观察到极丰富的碎片离子，为进一步确定化合物的结构，提供非常重要的信息。
因此，要详细分析碎片离子的形成过程，离子与离子之间的相互关系（亲缘关系）及各种离子的丰度。
一、自由基和电荷中心引发的反应1. 离子碎裂反应的活性中心分子失去一个电子形成的离子M+∙是一个奇电子离子。
它的碎裂反应可能丢失一个偶电子的中性分子或奇电子的中性自由基：M+∙ OE+∙ +NEE+ +N∙奇电子离子有二个活泼的反应中心，即电荷中心和自由基中心；偶电子离子只有电荷中心。
奇电子和偶电子离子均优先失去偶电子中性碎片，从而使产物离子的自旋态保持不变。
然而，分子离子也可能失去一个自由基而生成偶电子离子。
一般情况下，碎裂反应只在活性反应中心的邻近发生。
对于由活性中心引发的碎裂反应，活性中心在离子中位置的确定是非常重要的。
2. 特定位置的电离能就电离的容易程度而言，杂原子上孤对电子 > [共轭 电子 > 电子] > σ电子。
3.自由基引发的反应(又叫 σ-断裂反应)σ-断裂反应是由游离基中心引发的反应，一个不成对的电子与相连的原子形成一个新键，并伴随着σ原子上另一个键断裂。
因此，这种断裂通常称为“σ-断裂反应”。
在σ碎裂过程中，一个新键形成产生的能量补偿了一个键断裂时所需要的能量。
因此， σ断裂很容易发生。
实际上，它广泛存在于许多类有机物的质谱碎裂过程中。
自由基引发反应的难易程度与原子的给电子能力大小有关。
一般说来，N > S, O, , R∙ > Cl >Br > I。
最大烷基失去规则：σ-断裂过程中，总是失去较大基团占优势，这是普遍的倾向。
4、电荷引发的反应（i-断裂反应）i-断裂反应是由正电荷（阳离子）中心引发的，有一对电子转移，一个单键断裂并导致正电荷位置迁移的过程。
OE+∙和EE+ 都能发生i-断裂。
注意，双箭头表示一对电子的转移。
有机质谱中的裂解反应
α
α
CH2 = O
R2 + R1
醇:
+ OH
+ + OH
α
胺:
R1 H N + R2
R1
H N = CH2 + R2 +
α
H CH2 = N +
R2 + R1
② 异裂—正电荷引发裂解—i 裂解
正电荷引发的i断裂反应：是由正电荷引发的碎裂过程，它涉及两个 电子的转移，动力来自于电荷的诱导。
R1
酮:
R2
C
O
+
i
R1
+
+ R2
C
O
氯代物:
+ Cl
i
+ (CH3)2CH + CH2 = C l
酯:
+ O O i + +
O C O
i断裂与α 断裂小结
1、杂原子为单键时，i断裂和α 断裂所引起的断键位置是不同的。杂 原子为重键时，i断裂并不导致重建的断裂。 2、产物的电荷稳定通常比游离基稳定更重要，因此不同的物质断键
R
C O
a
R
C
a
R'
R . + 'R C
O+
2. 烃类化合物的裂解规律 烃类化合物的裂解优先失去大的基团生成稳定的正碳离子
+ CH2 > H2C CH + + + + + CH2 > CR3 >CHR2>CH2R >CH3
m/z = 91, tropylium
H2C CH
+ CH2
有机质谱中的裂解反应
4. 羰基化合物的裂解
自由基引发的均裂及正电荷诱导的异裂。 自由基引发的均裂及正电荷诱导的异裂。
5. 逆 Diels-Alder 反应（ retro- Diels-Alder ） 反应（
6. 氢的重排反应
1） Mclafferty 重排 ）
2）自由基引发或正电荷诱导，经过四、五、六元环过渡氢的重排 ）自由基引发或正电荷诱导，经过四、
正癸烷
100 % O F BASE PEAK 90 80
m/z=43 C3 C4 m/z=57
n-Hexadecane
70 60 50 40 m/z=29 C2 30 20 10 m/z=85 C6 99 169 183 197 C7 113 127 141 155 C8 C C C1 1 C1 2 C1 3 C1 4 10 9 C5 m/z=71
异裂
半异裂： 半异裂： X
Y
X+ . Y
X+
+
.Y
简单开裂从裂解机制可分为以下主要三种： 简单开裂从裂解机制可分为以下主要三种： （1） α-裂解 ） 裂解 由自由基引发的、由自由基重新组成新键而在α 由自由基引发的、由自由基重新组成新键而在α位导致碎裂的过程称为α 裂解 位导致碎裂的过程称为α-裂解。 碎裂的过程称为 裂解。
各类有机化合物的质谱
1. 烷烃
直链烷烃： ）显示弱的分子离子峰。 直链烷烃：1）显示弱的分子离子峰。 2）由一系列峰簇组成，峰簇之间差14个单位。 ）由一系列峰簇组成，峰簇之间差 个单位 个单位。 （29、43、57、71、85、99…） 、 、 、 、 、 ） 3）各峰簇的顶端形成一平滑曲线，最高点在C3或C4。 ）各峰簇的顶端形成一平滑曲线，最高点在 4）比 M+. 峰质量数低的下一个峰簇顶点是 M－29。 ） － 。 而有甲基分枝的烷烃将有 M－15，这是直链烷烃 － ， 与带有甲基分枝的烷烃相区别的重要标志。 与带有甲基分枝的烷烃相区别的重要标志。
质谱裂解机理中的特征裂解方式
质谱裂解机理中的特征裂解方式有机质谱中的裂解是极其复杂的，但是通过对其质谱裂解方式和机理的探讨研究，我们可以发现有一些特征结构裂解方式在有机质谱的裂解中是普遍存在的，是世界上的大量质谱学家通过对大量的有机质谱裂解方式进行观察、研究后的概括性总结。
所以其具有很重要的参考价值和应用价值，所以在有机质谱解析过程中，必须予以遵循，如此方能得到合理的质谱裂解方式和解析结果。
通过概括总结我们发现有机质谱中大部分化合物具有以下几种特征裂解方式：α裂解、苄基裂解、烯丙基裂解、麦氏重排裂解、DRA 裂解（逆狄尔斯阿尔德反应），几种特征裂解方式的强弱顺序如下：苄基裂解>α裂解、i 裂解>麦氏重排裂解、DRA 裂解>烯丙基裂解当然这种顺序不是一成不变的，随着化合物的结构发生改变，这些特征裂解方式的顺序有可能会发生改变，有机化合物质谱裂解大致可以分为两类α裂解（均裂）、β裂解，我们上面所讲的苄基裂解、烯丙基裂解、麦氏重排裂解、DRA 裂解都属于β裂解。
下面我们对几种特征裂解方式做以说明。
1、特征裂解方式一、α裂解α裂解是指凡具有C-X 单键基团和C=X 双键基团（其中X=C 、O 、S 、Cl 等）的有机分子，与该基团原子相连接的单键、称之为α键，在电子轰击条件下，该键很容易断裂因而称之为α断裂。
断键时成键的两个原子各自收回一个电子，这是由游离基中心引发的反应，原动力来自游离基的电子强烈配对倾向，所以α断裂属于均裂。
其裂解的机理及通式如下： I 饱和中心R 2C YR +H 2CCH2+ II 不饱和杂原子R RCY +几类化合物的α裂解 (1)H 3CCH 2OH 3H 2COH + (2)H 3CH 2C H 2CCH 3H 2COH 2CCH 3+3(3)CH 3OαO+H 2C CH 3(4)H NOCH 3O αH NO+OCH 3引发α断裂的倾向是由游离基中心给电子的能力决定的，一般来讲N>S 、O 、π、烷基>Cl 、Br>H ，同时α断裂遵循最大烷基游离基丢失的原则。
质谱分析-3-2
σ断裂，简单的键断裂
57 (100%)
CH3 H3C C CH3 H2 C H2 C H2 C CH3
71 (1.6%)
85 (0.2%)
43 57 (100%) (26.0%)
71 (1.6%)
对于饱和烃，取代度 愈高的碳，其σ键愈 容易被电离。 （取代度愈高的C+离 子愈稳定，因此这种 反应具有很大优势）
R
α X β Y
R
X Y
+ A
H
A， X，Y，Z一般为碳、氮，氧、硫任何一种组合。
Zγ
AH
Z
要求：不饱和π 键; γ氢
（1）麦氏重排
H Y Y
H
α
+
YH
H Y
YH
i
+
（1）麦氏重排 m/z 58
α
R=CH3,40% R=C6H5,5%
R H O R OH
i
+
R=CH3,5% R=C6H5,100%
亚稳离子的表观质量m*与m1、m2的关系是：
m*＝（m2)2/m1
式中m1为母离子的质量，m2为子离子的质量。 2. 特点： （1）亚稳离子峰峰形宽而矮小，因为在自由场区分 解的离子不能聚焦于一点； （2） 通常m/z为非整数。
3. 亚稳离子提供的结构信息
m*可提供前体离子和子离子之间的关系 例1 二异丙胺质谱在m/z22.8处有亚稳离子峰，此外有两个 强峰m/z86和m/z44，一个弱峰m/z101。m/z44离子是m/z86 离子的重排开裂产生的，因为亚稳离子峰为此种开裂历程 提供了证据。 m*=22.8 ≈442/86 = 22.5
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质谱技术中裂解机理的初步认识
摘要质谱，即质量的谱图，物质的分子在高真空下，经物理作用或化学反应等途径形成带电粒子，某些带电粒了可进一步断裂。
每一离子的质量与所带电荷的比称为质荷比(m/z ,曾用m/e)。
不同质荷比的离子经质量分离器一一分离后，由检测器测定每一离子的质荷比及相对强度，由此得出的谱图称为质谱,本文从质谱的裂解机理，质谱的裂解方式和质朴中的离子类型三方面进行了介绍，对质谱有了更深的理解。
一、质谱裂解机理
离子的裂解并不是随意裂解，它必须按“偶电子规则”进行裂解，当含有奇数个电子的离子裂解时，可以产生游离基与一个偶数个电子的离子，或含偶数个电子的中性分子与一个奇数个电子的离子；当含有偶数个电子的离子裂解时，只能产生偶数个电子的离子和中性分子，而不会产生游离基
OE EF+R (断1个键)
OE OE+Nee (断2个键)
EE EE+ Nee (断2个键)
EE OE+R (断1个键)（极少产生）
注意：奇电子离子有两个活泼的反应中心，即电荷中心和游离基中心；偶电荷离子只有电荷中心。
分子离子的裂解和产物离子的进一步裂解都是由这些中心引发的。
二、质谱裂解的方式
（一）简单裂解
1.游离基中心引发的断裂反应（α断裂）
分子失去电子，形成游离基离子，它的电子有强烈的成对倾向，电子转移与邻近原子形成一个新键，同时邻近原子的α键断裂。
因此，这种断裂通常称为“α”断裂反应，以下分别举例说明各种化合物α断裂过程。
R2R+CR2YR
杂原子（Y）的孤对电子电离能较低，很容易去失，形成游离基离子，进而发生α断裂，如
α
R2O R'R+CH2O R'
2. σ键的断裂
化合物中某个单键失去电子，则在此处易进一步发生断裂反应，例如烷烃。
R +RCR 3CR 3CR 3
σ 能够稳定正电荷的离子丰度较高，如
CH 3CH 2CH 3-e CH 3 32CH 33C 33C CH 2CH 3σ+
3、电荷中心引发的反应（诱导断裂，i ）
① 奇电子离子（OE
） a. 饱合中心 R Y R'R +i YR
上述反应由正电荷对一对电子的吸引所推动，反应发生的难易与该元素的诱导效应有关，一般为卤素>O 、S ＞＞ N 、C ；许多碘代烷烃，溴代仲和叔烷烃及氯代叔烷烃，较易产生这个反应。
（二）重排裂解
在质谱反应中，分子中原子的排列发生变化的反应被称为重排，由游离基中心引发的氢原子重排是常见的重排反应之一。
1、电荷中心引发的重排A z d
z y +A B
z 为氢时常常看到这个类型的裂解，如二乙胺：
CH 3CH 2N CH 2CH 3-CH 3H 2C CH 2
H HN CH 2H 2C CH 2H 2N CH 2
αd +m/z 58m/z 30
上述反应中，z （氢）和y 的位置关系不一定，z 离子种种位置重排，在多数研究报告中认为是经过四元环过渡态。
排，有时称为麦氏+1重排，例如：
O R +OH HO
R'OH
HO
R' 麦氏重排产生OE
离子，而麦氏+1重排产生EE +离子，这个特征峰有利
于辨认酯，硫酯酰胺和磷酸酯等化合物。
以上介绍了各类裂解反应及其机理。
质谱反应中，各类反应可以同时发生，但由于化合物的性质不同，往往以1—2种反应为主，由此产生各类化合物的特征离子。
各类化合物的质谱将在下章论述。
三、质谱中的离子类型
1、分子离子
分子离子（M+）是质谱图中最有价值的信息，它不但是测定化合物分子量的依据，而且可以推测化合物的分子式，用高分辨质谱可以直接测定化合物的分子式。
分子离子的形成
分子失去一个电子后形成分子离子。
一般来讲，从分子中失去的电子应该是分子中束缚最弱的电子，如双键或叁键的π电子，杂原子上的非键电子。
失去电子的难易顺序为：
杂原子> C = C > C — C > C — H
易 难
2、同位素离子
在自然界，很多元素的组成不是单一的。
这样，由它们组成的化学纯的有机化合物，由于组成它们的元素不是同位素纯的，只能得到一张混合物的质谱图。
其中含有丰度较小的同位素的离子被称为同位素离子。
它的丰度与离子中存在该元素的原子数目及该同位素的天然丰度有关，借助这些知识，可以推测分子离子或碎片离子的元素组成。
3、碎片离子
碎片离子的质荷比及其丰度在质谱数据中占很大比例。
碎片离子的相对丰度与分子结构有密切关系，高丰度的碎片峰代表分子中易于裂解的部分，如果有几个主要碎片峰，并且代表着分子的不同部分，则由这些碎片峰就可以粗略地把分子骨架拼凑起来。
质谱解析的大量工作就是分析碎片离子的形
碎片离子的形式
质谱反应属于单分子反应，离子源中的样品蒸汽压通常低到足以忽略双分子（离子—分子）或其他碰撞反应的程度，所形成的分子离子具有范围较宽的内能。
那些是足够“冷”的离子不会在被收集前分解，在质谱图上以分
子离子（
M 产生一个离子和中性碎片。
如果这个初级产物的离子有足够的能量，还可以进一步分解。
ABCD A +BCD A +
+D
反应中也可以发生异构化
AB CD +B C
碎片离子的丰度主要取决于该离子的稳定性。
主要的离子稳定形式是杂原子中未成键轨道的电子共享和共振稳定。
此外，丰度与离子的电离能有关。
电离能低的碎片离子形成几率高。
4、亚稳离子及多电荷离子
在质谱图中，有时可以看到峰形较宽的峰，这是亚稳离子形成的。
质量为m 1的离子若在电离室中进一步开裂，生成质量为m 2的离子及一个
中性碎片。
m 1 m 2 + 中性碎片
如果裂解不是在离子室中发生，而是在磁场之前的无场漂移区中飞行时发生的，那么离子的质量虽然仍为m 2，但由于一部分动量被中性碎片带走，
故在较低的质荷比处出现一个低矮的宽峰。
这个低动量的离子被称为亚稳离子（m*），它与m 1及m 2有如下关系：
根据上式，可以利用出现的m*离子找到对应的m 1及m 2，同时也可以计算
出失去的中性碎片的质量。
这样，就可以辨认母离子（m 1）及子离子（m 2）的亲缘关系。
质谱图中出现的亚稳峰有各种形态，最常见的是弧形或丘形的，有时也见到不尖锐的等腰三角形。
它的相对丰度一般很小，呈发散状，能跨几个质量数；往往以其中心为准计算亚稳离子的质荷比，多为非整数。
下图为针枞酚的质谱图，图中可见m/z71.5的亚稳离子峰。
亚稳离子在探讨有机分子的裂解途径方面，意义很大。
它与离子的精确
1
/*22m m m
质量测定和质量位移技术相互验证相互补充，把看上去很复杂的质谱，排列成一系列有“亲缘关系”的家族，辨认出反应物，中间体及产物，从而可准确地写出裂解方式和裂解途径，获得分子结构的重要资料。
结论本文从质谱的裂解机理，质谱的裂解方式和质朴中的离子类型三方面进行了介绍，对质谱有了更深的理解，注意：奇电子离子有两个活泼的反应中心，即电荷中心和游离基中心；偶电荷离子只有电荷中心。
分子离子的裂解和产物离子的进一步裂解都是由这些中心引发的。
参考文献
[1]吴莉.电感耦合等离子体—质谱/发射光谱法测定生物样品、中药及水样中的微痕量元素[D]. 四川大学，2007
[2]何艺桦.基于CCD的小型光谱分析仪器与化学发光新技术[D]. 四川大学，2007
[3]张胜帮，张学俊，郭玉生. ICP-AES法测定中药中钙[J]光谱学与光谱分析，2004，(10).
[4]庄美华，朱辉忠，蔡伟星，葛振祥. 应用ICP-MS分析汽油中微量的砷、汞、铅[J]分析测试技术与仪器，2005，(04).
[5]陶冠红，藤川阳子. 激光熔蚀-电感耦合等离子体质谱法测定底泥沉积物中的总汞[J]光谱学与光谱分析，2004，(09).。