有机结构分析-质谱
质谱法在有机化学中的应用
质谱法在有机化学中的应用质谱法是一种常见的化学分析技术，其作用在于将化学样品分解为原子或分子的离子，进行定量或定性的分析。
在有机化学领域，质谱法是一项非常重要的分析手段，可以用于物质结构的鉴定、反应机理的研究等方面。
在本文中，我们将从不同的角度探讨质谱法在有机化学中的应用。
一、质谱法在有机化合物结构鉴定中的应用质谱法可以通过离子化、碎片化、质量分析等多种技术手段，对有机化合物进行鉴定。
比如，通过离子化，可以将有机化合物转化为带电离子，便于进一步分析。
通过碎片化，可以将大分子有机化合物分解为小分子碎片，从而进行更精确的鉴定。
通过质量分析，可以确定分子式，进一步确定有机化合物的结构。
此外，质谱法还可以利用分子离子的结构特征，进行有机化合物的结构表征。
比如，质谱法可以用于测定有机化合物的碳氢比，亦可测定它的同分异构体。
二、质谱法在有机化学反应机理研究中的应用质谱法还可用于有机化学反应机理的研究。
在有机化学反应研究中，人们通常不仅仅是关注初步反应产物的生成，还要观察中间产物和最终产物，去了解整个反应过程中的有机化学发生的过程。
质谱法可以通过离子化，将反应过程中的离子转化为带电离子，进一步分析中间产物和最终产物，推断有机化学反应机理。
三、质谱法在药物分析领域的应用质谱法在药物分析领域也有非常重要的应用。
首先，质谱法可以用于药物的结构鉴定。
利用质谱仪测量药物分子的质谱图，即可对药物的结构进行表征。
QUADRAPOLE MS和时间飞行质谱法在药物分析领域有广泛的应用。
此外，质谱法还可以用于药物代谢物的鉴定。
当药物被进一步代谢、分解时，验证代谢物的结构是化学分析学家的一个挑战。
质谱仪的用途则在于鉴定这些代谢物的分子结构。
总之，质谱法在有机化学领域的应用有着广泛的应用。
无论是结构鉴定、反应机理的研究还是药物分析领域都有丰富的应用。
现代化学分析技术的发展，为质谱法在有机化学研究中的应用带来了更加广泛的可能性和意义。
第三章_质谱
麦氏重排条件：
含有C=O， C=N，C=S及碳碳双键 与双键相连的链上有 碳，并在 碳上有H原子（氢）
4、检测器
最主要的检测器是电子倍增管，它可以测出10-17A 微弱电流。如果电流更微弱，则需采用渠道式电子倍增 器阵列，它可以使电流放大。
三、质谱的表示Βιβλιοθήκη 法在质谱分析中，质谱的表示方法有条图和表格形式：
m / z值 相对强度
27 —
39
51 —
以质荷比m/z 为横坐标，离子相对强度为纵坐标，
相对强度是把原始质谱图上最强的离子峰定为基峰，规 定其相对强度为100%，其它离子峰以对基峰的相对百分 值表示，由质谱图很直观地观察整个分子的质谱信息。
40年代出现高分辨率质谱仪，可用于有机化合物结构 分析。 60年代末出现了色谱-质谱联用仪，可用于有机混合 物分离分析，促进天然有机化合物结构分析的发展。
有机质谱仪按其性能可分为低分辩和高分辩两种。 低分辩质谱可以确定分子和碎片离子的整数质量， 同时显示出相应同位素离子的相对丰度。在分子离子峰
相当强的情况下，根据同位素的相对丰度能够估计可能 的分子式。同理，也可以估计某些碎片的离子的元素组 成，结合对分子断裂规律的分析，可以得到有机化合物 骨架结构的启示和官能团存在的信息。
C7 CHO C6COOH C8NH2 C8OH C7Cl
C5 COOCl
二、碎片离子峰
当轰击电子的能量超过分子离子电离所需的能量 时（约为50~70eV），使分子离子的化学键进一步断 裂，产生质量数较低的碎片，称为碎片离子，在质谱 图上相应的峰，称为碎片离子峰。 碎片离子峰在质谱图上位于分子离子峰的左侧。
（2）双聚焦质量分析器
高分辨率质谱仪一般采用双聚焦质量分析器 单聚焦质量分析器中离子源产生的离子在进入加速 电场前，其初始能量并不为零，能量各不相同，最后不 能全部聚焦在检测器上，使仪器分辨率低，使用双聚焦 质量分析器可解决离子能量分散的问题
有机化学中的质谱(MS)技术
有机化学中的质谱（MS）技术质谱（Mass Spectrometry，简称MS）是一种在有机化学领域中广泛应用的分析技术。
它通过测量分子或原子在电离后，在电磁场中的轨迹曲线来获得分子的质量和结构信息。
质谱技术的应用范围十分广泛，包括化合物鉴定、结构鉴定、反应机理研究等等。
在本文中，我将介绍有机化学中常见的质谱技术及其应用。
一、电离技术质谱技术中最关键的步骤是电离，它将分析物转化为离子。
常用的电离技术包括电子轰击电离（EI）、化学电离（CI）、电喷雾电离（ESI）和大气压化学电离（APCI）等。
1.1 电子轰击电离（EI）电子轰击电离是常见的质谱电离技术，它使用高能电子轰击分析物，将其转化为分子离子和碎片离子。
EI技术广泛应用于有机化合物的结构鉴定和定性分析。
1.2 化学电离（CI）化学电离是一种软化电离技术，常用于高沸点化合物和易挥发的化合物的分析。
CI技术通过在离子源中引入反应气体，与分析物发生化学反应生成共轭离子，从而得到分析物的质谱图。
1.3 电喷雾电离（ESI）电喷雾电离是一种常用的离子化技术，适用于极性、热不稳定和大分子化合物的分析。
ESI技术将样品通过电喷雾产生微滴，然后在高电压下蒸发溶剂，形成气溶胶，再经过电离，使得样品离子化。
1.4 大气压化学电离（APCI）大气压化学电离是一种高效的电离技术，适用于极性和非极性有机化合物的分析。
APCI技术中，样品与雾化气体混合形成雾化云，然后在电离源中产生离子。
二、质谱仪器质谱仪器是进行质谱分析的关键设备，常见的质谱仪器包括质谱质谱（MS/MS）、气相质谱仪（GC-MS）和液相质谱仪（LC-MS）等。
2.1 质谱质谱（MS/MS）质谱质谱仪是一种高级别的质谱仪器，它可以通过串联质谱（MS/MS）技术进一步提高分析的准确性和灵敏度。
MS/MS技术将质谱仪分为两个部分，分别进行两次质谱分析，从而获得更详细的结构和质量信息。
2.2 气相质谱仪（GC-MS）气相质谱仪是将气相色谱（GC）和质谱联用的仪器。
有机质谱分析
相对而言，有机质谱是质谱中的最大分支， 不仅应用学科领域广泛、部门多，而且仪器数 量很大。
据不完全统计，上世纪80年代，我国每年引进 有机质谱仪器30多台，90年代每年引进50多台，进 入新世纪后，每年更是超过100 台。从事这项工作 的人数也很多，目前我国从事有机质谱分析研究工 作的专职科技人员近3000人。可以这样说，一切与 有机化学有关联的学科与部门，诸如生物化学、生 命科学、化工、医药、试剂、轻工、食品、商检、 林业、农药、石油、地质、公安、法检、航天、国 防、环境监测、致癌物质和兴奋剂检测等，都要装 备有机质谱仪。
用质谱技术分析研究糖、核酸、多肽、蛋 白质，这方面的许多成功的研究工作都标志着 质谱作为一种生化分析方法将占据重要的地位，
有机质谱已跨出了近代结构化学和分析化学领 域而进入了生命科学的范畴，生物质谱正在成 为质谱研究中的一个热点。
同位素质谱和无机质谱是质谱中的小分支， 前者主要在与放射性同位素有关的部门应用， 后者主要在矿产、地质、冶金、半导体材料和 原子能工业中应用。
与其它“三大谱”相比，它提供了有机化 合物最直观的特征信息，即分子量及官能团碎 片结构信息。在某些情况下，这些信息足以确 定一个有机化合物的结构。
在高分辨条件下，将质谱信号通过计算机运算， 可以获知其元素组成，因此，质谱仪还具有元素分 析的功能，广泛应用于各种有机化合物的结构分析。 同时，由于与分离型仪器（气相色谱仪、液相色谱 仪等）实现了联用，质谱可以直接分析混合有机物， 成为复杂混合物成分分析的最有效工具。这些混合 物包括天然产物、食品、药物、代谢产物、污染物 等等。它们的组分可多至数百个甚至上千个，含量 也可千差万别，用别的方法分析这类样品所耗费的 时间，代价为人们难以承受，有时则根本不可能进 行，而用色谱－质谱联用法则可能在较短的时间内 很方便地进行。因此，它的问世，被认为是分析化 学中的一个里程碑。
有机波谱分析--质谱分析法
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
有机小分子结构检测用的四大光谱
有机小分子结构检测用的四大光谱
有机小分子的结构检测是一项非常重要的工作，其中使用的四大光
谱是红外光谱、紫外可见光谱、核磁共振光谱和质谱。
（一）红外光谱
红外光谱是一种常用的检测有机小分子结构的方法。
它基于物质分子
中原子之间的振动和转动，对分子进行谱学分析。
红外光谱可以用来
确定分子中的基团、官能团以及它们之间的化学键。
它的特点是原位、快速、准确，不需要特殊处理样品。
（二）紫外可见光谱
紫外可见光谱是通过辐射颜色为紫外和可见光区间的电磁波来对物质
进行分析。
它可以用来检测有机小分子中的双键、三键、环状结构等。
（三）核磁共振光谱
核磁共振光谱是一种非常常用的检测有机小分子结构的方法。
它可以
用来分析分子内原子核之间的相对位置和化学环境，进而确定分子的
化学结构。
通过对比化学位移和峰形的变化，可以确定分子中不同位
置的氢原子和碳原子。
（四）质谱
质谱是一种通过对物质分子进行电离和质量分析来确定分子结构的方法。
它是一种高灵敏度和高分辨率的技术，可以检测极微量的分子，是分析高分子材料、有机小分子和生物分子结构的有力工具。
综上所述，红外光谱、紫外可见光谱、核磁共振光谱和质谱是常用于检测有机小分子结构的四大光谱。
它们各有特点，可以相互协调使用来提高检测的准确性和效率。
质谱的图谱分析ppt(共55张PPT)
b:某元素重同位素的丰度； c:同位素个数。
23
例：某化合物质谱分子离子区域的离子质荷比和强度如下 ：
m/z
132(M+·) 133 134
试推导分子式
解：因[M+2]：[M+]为0.7：100，所以分子中不含 Cl、Br、S、Si等A+2类元素。C原子数的最大值 =[M+1]/[M]÷1.1%=9.9/100÷1.1%=9
m/z 14 (4.0) 16 (0.8) 20 (0.8)
m/z 28 (100) 29 (0.76) 32 (23)
m/z 33 (0.02) 34 (0.99)
40 (2.0)
44 (0.10)
括弧中的数字即峰的相对强度，表示100％者是基 峰 O，2， O，2N在就2在空占空气N2气中的中占23含1％/量5。，最N高2占而且4/5也，最N稳2的定峰。高（为321）0是0％
（1）绝对强度 是将所有离子峰的离子流强度相加作
为总离子流，用各离子峰的离子强度除以 总离子流，得出各离子流占总离子流的百 分数 （2）相对强度
以质谱峰中最强峰作为100％，称为基 峰（该离子的丰度最大、最稳定），然后 用各种峰的离子流强度除以基峰的离子流 强度，所得的百分数就是相对强度。
4
表示方法： (以上图为例)
一般情况下，分子的稳定性与分子离子的稳定性 有平行关系，分子离子的稳定性通常随不饱和度 和环的数目的增加而增大。
杂原子外层未成键电子被电离的容易程度，按周期表纵 列自上而下，横行自右而左的方向增大。
13
分子电离所需的能量越低，分子离子也越 高。
n-C4H9OH n-C4H9SH n- C4H9NH CH3-CH3 CH2=CH2 苯
有机化学中的表征与鉴定方法
有机化学中的表征与鉴定方法有机化学是研究含碳的化学物质的一门学科，关于有机物质的表征与鉴定方法是该领域研究的核心内容之一。
本文将介绍几种常用的有机化学表征与鉴定方法。
一、质谱法质谱法是一种能够鉴别化合物分子质量和结构的方法，对于分析有机物质的结构非常重要。
质谱法的基本原理是将化合物分子进行电子轰击或化学离解，得到化合物的质谱图谱。
质谱图上的峰值可以提供关于分子离子的质荷比、相对丰度和碎片离子等信息，从而可以确定有机物的分子式，判断其结构和碳骨架。
二、红外光谱法红外光谱法是一种通过测量有机物质在不同波长红外光照射下的吸收情况来表征物质的结构和功能团的方法。
有机物质中的化学键、取代基和官能团在不同波长的红外光照射下会发生吸收，吸收峰的位置和强度可以提供关于有机物质结构及含有的官能团的信息，通过对比不同样品的红外光谱图谱，可以确定有机物质的结构。
三、核磁共振波谱法核磁共振波谱法（简称NMR）是一种能够通过测量核磁共振信号来表征有机物质结构的方法。
核磁共振波谱法能够提供有机物中H、C 等原子核的化学位移、耦合常数和积分峰面积等信息，从而可以确定有机物的结构、官能团和立体构型。
四、气相色谱法气相色谱法是一种通过分离混合物中不同组分的方法，并通过检测组分在色谱柱上通过的时间来表征有机物质的方法。
有机物质在气相色谱柱中会根据其在柱上的亲和性差异而发生分离，通过检测各组分在固定时间内通过的峰面积或峰高，可以确定有机物质的组成和相对含量。
五、元素分析法元素分析法是一种通过测定有机物中各元素的含量来表征有机物质结构和组成的方法。
通过燃烧有机物质，将其转化为无机物质，并测定生成的气体或溶液中的元素含量，可以确定有机物质中碳、氢、氧等元素的相对含量，从而进一步确定其分子式和结构。
综上所述，有机化学中的表征与鉴定方法涵盖了质谱法、红外光谱法、核磁共振波谱法、气相色谱法和元素分析法等多种方法。
这些方法的使用可以帮助化学家确定有机物质的分子式、结构、官能团及其相对含量，为有机化学研究提供重要的实验手段。
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图1-3 电子轰击分子示意图
Electron Ionization
质谱发展历史
1886年，Goldstein 发现正电荷离子； 1898年，Wien 利用电场和磁场使正电荷离子发生偏转； 1912年，Thomson 研制世界上第一台质谱仪，发现氖的同位素； 1918年，Dempster 电子轰击电离（Electron Ionization)和磁聚焦； 1919 年， Aston, 速度聚焦质谱仪，测定 50 多种同位素，第一张同位 素表。 1934年，Stephens 均匀扇形磁场，球差和质量色散公式； Herzog 和 Hintenberger 电磁场组合，离子光学系统； 1940年，Nier 扇形磁场偏转质谱仪，双聚集系统商品仪器的雏形235U （用于美国原子弹制造计划）； 二战期间，用于石油、化工方面的分析。 1946年， Stephens, Time of Flight MS 1953年， Pauls, Quadrupole analyzer 1956年， Gohlke and Mclafferty, GC-MS Beynon, High-resolution MS
磁场质谱仪的分辨率通常由10%峰谷定义给出; 对于四极杆质谱、FT-ICR、Orbitrap和飞行时间质谱仪来说，最常用的分辨 率衡量方法是遵循半峰高处的全峰宽（Full Width Half Maximum， FWHM）的定义，即使用50%峰高处的峰宽来衡量Δm; 而使用FWHM的定义的数值总是大于使用“5%峰高处峰宽” (10%峰谷)定义取 得的数值。事实上，要达到10%峰谷的质量分离标准，半高宽定义下的分辨 率大约是10%峰谷定义下分辨率的两倍。
3.
灵敏度（sensitivity）
对于一定样品, 在一定的分辨率情况下，产生一定信噪比（如 S/N>501）的分子离子峰所需的样品量。
例如：某四级杆质谱仪 *ESI MS/MS灵敏度: 200 fg/µL (0.329 fmol/µL)利血平，进样 5µL，流量400µL/min。测量m/z195（子离子）、m/z609（母 离子），信噪比＞50：1。 *APCI/APPI MS/MS灵敏度: 200 fg/µL (0.329 fmol/µL)利血 平，进样5µL，流量1mL/min。测量m/z195（子离子）、 m/z609（母离子），信噪比＞50：1。
日本科学家田中耕一 (Koichi Tanaka)1983年 获日本东北大学学士学 位，现任职于京都市岛 津制作所，为该公司研 发工程师，分析测量事 业部生命科学商务中心、 生命科学研究所主任。 他对化学的贡献类似于 约翰·芬恩，因此也得到 了1／4的奖金。
美国科学家约翰·芬恩1940 年获耶鲁大学化学博士学 位，1967-1987年任该大学 教授，1987年起被聘为该 大学名誉教授，自1994年 起任弗吉尼亚联邦大学教 授。他因为“发明了对生物 大分子进行确认和结构分 析的方法”和“发明了对生 物大分子的质谱分析法”而 获得诺贝尔化学奖1／4的 奖金。
3.2.1
电子轰击电离（electron impact ionization, EI） 一般为70eV的电子束轰击气态分子，使气态分子失去一个电 子而成为带正电的分子离子。 70eV远大于大多数有机化合物 的电离电位（7~15eV），会使相当多的分子离子进一步裂解， 产生广义的碎片离子。气质联用中最常用的离子源。
2002年诺贝尔化学奖获得者
瑞士科学家库尔特·维特里 希1964年获瑞士巴塞尔大 学无机化学博士学位，从 1980年起担任瑞士苏黎世 联邦高等理工学校的分子 生物物理学教授，还任美 国加州Scripps研究所客座 教授。他因“发明了利用 核磁共振技术测定溶液中 生物大分子三维结构的方 法”而获得诺贝尔化学奖 一半的奖金。
3.1.1 3.1.2 3.1.3
质谱仪的组成 质谱仪的主要性能指标 质谱图
1.1.1
质谱仪的组成
Components of Mass Spectrometer 真空系统
Vacuum System
进样系统
Sample Inlet
Ionization Source
离子源
质量分析器
Mass Analyzer
低分辨率质谱仪： R < 1000 高分辨率质谱仪： R ≧ 10000
利用高分辨率质谱仪可测定精确的质量数（分子式）！
质荷比均为 28 的分子：CO: N2:
27.9949 28.0062
C2H4: 28.0313
离子阱和四极杆质谱仪，仪器的分辨率是随质量线性增加的，即 仪器分辨率设置为”单位质量分辨率”，分离质荷比为100和101的 分辨率为R=100/0.5=200；而分离质荷比为1000和 1001的分辨率 相应增加到R=1000/0.5=2000。 飞行时间和双聚焦质谱仪在恒定分辨能力下运行。这意味着在整 个质量范围内将使用相同的分辨率设置。 FT-ICR和Orbitrap 质谱仪所使用的分辨能力是不断变化的。FTICR的质谱仪分辨率随质量增加而线性递减，而对于Orbitrap质 谱仪来说，分辨率则是随质量平方根的增加而呈线性递减。 例如： Orbitrap质谱在m/z=400时分辨率为 100000，而在m/z=1600时分 辨率则变为50000； FT-ICR质谱在m/z=400时分辨率为 100000，而在m/z=1600时分辨 率则变为25000。
电子轰击电离（electron impact ionization, EI） 化学电离（chemical ionization, CI） 场电离（field ionization, FI） 场解吸（field desorption, FD） 快原子轰击（fast atom bombardment, FAB） 基质辅助激光解吸电离（matrix-assisted laser desportion ionization, MALDI） 电喷雾电离（electrospray ionization, ESI） 大气压化学电离（atmospheric pressure chemical ionization, APCI） 大气压光电离 (atmospheric pressure Photoionization, APPI） 新离子源：DESI和DART
1965年，Hipple, 离子回旋共振（Ion Cyclotron Resonance） 1966年，Munson and Field, 化学电离（Chemical Ionization） McLafferty and Jennings, Tandem MS 1973年， McLafferty，LC-MS，热喷雾方法 1974年，Comisarow and marshall，傅立叶变换离子回旋共振质谱 （FT-ICR-MS) 1981年，Barber，快原子轰击电离质谱（FAB-MS) 1989年，Fenn 电喷雾电离（ESI） Tanaka，基质辅助的激光解析电离（MALDI） 1990年，Katta and Chait, ESI-MS观察蛋白质构象变化 1993年，商品ESI-MS 1995年， FT-ICR-MS 与 ESI 和 MALDI 的联用 1998年， High-resolution TOF-MS ......
第三章 有机质谱
(Organic Mass Spectrometry)
前言
质谱定义： 质谱分析法是通过对被测样品离子的质荷 比的测定来进行分析的一种分析方法。 被分析的样品首先要离子化，然后利用不 同离子在电场或磁场的运动行为的不同， 把离子按质荷比（m/z）分开而得到质谱， 通过样品的质谱和相关信息，可以得到样 品的定性定量结果。
3.1.3
质谱图
横坐标：质荷比 (m/z) 纵坐标：相对丰度(最强峰的强度定为100%，基峰)或绝对 丰度
100 ) 80 % ( / 60 40 相对丰度 20 m/z 20 43 105 77 O C CH3 105 77 CO
51
120(M+·)
40
60
80
100
120
苯乙酮的质谱图
3.2 离子源（Ionization Source）
离子反射极 灯丝
分子离子化会产生正离子、负离子、自由基、中性小分子等，只有正离子才会 被电场排斥，推出电离盒，进入分析器，其它离子或分子被真空系统抽出。
优点： 1)稳定,质谱图再现性好,便于计算机检索及比较(NIST谱库检索) 2)离子碎片多，可提供较多的分子结构信息。 NIST谱库： 由美国National Institute of Standards and Technology研制，几乎 所有的GC-MS联用仪上都配有NIST/EPA/NIH库。检索方式有两 种：一种是在线检索，一种是离线检索。 NIST 2011版本： Electron ionization (EI) mass spectral library - 243,893 MS/MS library - 9,934 ion trap spectra for 9,138 different ions of 4,649 compounds
分辨率R是指质荷比相邻的两质谱峰的分辨能力。 若近似等强度的质量分别为M1及M2的两个相邻峰正好分开，则 质谱仪的分辨率定义为： M R= ; M M1+M2 式中 M = ; M = M2 -M1 2
国际上： 1）R10%：两峰间的峰谷高度为峰高的10%时的测定值； 2）一般难以找到两个质量峰等高，且重叠的谷高正好等于峰 高的10%，则定义： R= M b ; M a 式中 a为其中一峰的峰高5%处的峰宽; b为相邻两峰的中心距离