有机化合物波谱解析教案

第六章 质谱 （第25-30节）课时安排6学时

[基本内容]

质谱的基本知识、类型和电离过程。基本有机化合物的质谱。质谱解析的一般程序等。 [基本要求]

熟悉：质谱的电离过程，基本有机化合物的质谱特征；质谱解析的一般程序。

了解：质谱的质量分析器种类和场解析法、快原子轰击法和电喷雾电离法等的原理；最新的质谱分析和测试技术。

1.质谱在有机化合物结构测定中的应用 (1).测定正确的分子量 (2).推断分子式

(3).已知化合物的结构鉴定 (4).未知化合物的结构鉴定 2.电子轰击质谱（EI-MS） (1).基本原理

利用具有一定能量的电子束使气态的样品分子或 原子电离的离子源称为电子轰击离子源(Electron Impact Ion Source，简称EI)。电子轰击离子源能电离气体、挥发性化合物和金属蒸气。因其结构简单、电离效率高、通用性强、性能稳定、操作方便，是质谱仪器中广泛采用的电离源。

(2).开裂方式及开裂类型 开裂方式

①.均裂：两个电子构成的σ键开裂后，每个碎片各留一个电子。

②.异裂：两个电子构成的σ键开裂后，两个电子都留在其中一个碎片上。 ③.半异裂：已失掉一个电子的σ键开裂时，电子转向其中一个碎片。 开裂类型 ①.α开裂 ②.β开裂

③.逆狄尔斯-阿尔德反应（Retro-Diels-Alder reaction, RDA） ④.复杂开裂 ⑤.双重重排

(3).基本有机化合物质谱及开裂规律 3.原子轰击质谱（FAB-MS） (1).基本原理

与离子轰击型离子源相似，原子轰击型离子源也是利用溅射使样品电离的，所不同的是用于轰击的粒子是快速的中性原子，因此一般称为快速原子轰击电离法(Fast Atom Bombardment，FAB-MS) (2).特点 ①.灵敏度高

②.样品制备容易（FD-MS较难，费时费力）

③.常温下电离样品，排除了强极性物质难挥发，热不稳定等困难（FD-MS有时对极性很强的化合物,难于测出M+）

④.配有阴粒子捕获器, 还可给出相应的阴离子质谱（需要特别说明，一般只给出阳离子质谱）与阳离子质谱相互补充，大大增加了信息来源及可信程度。 ⑤.给出的碎片峰比FD-MS多，不只限于测定分子量。

⑥.当所用溶剂含有不稳定的H原子时（例如甘油），在谱中常可看到 [M+H]+, [2M+H]+, [2M+H]+ -H2O, [M-H]-, [M+S+H]+, [M+S+H]+ -H2O , [M+Na]+，[M+Li]+，[M+K]+，同时一些核苷在甘油中产生[M+2H]+, [M+3H]+等，碎片也同样，所以解析时要注意用了什么溶剂。间硝基苄醇受粒子轰击可被氧化为醛，若样品中有氨基可继续反应形成Schiff碱，出现[M+133＋H]+ 碎片。

⑦.可用TLC的斑点直接用FAB-MS, 测 [M+H]+。

FAB探针用双面屏蔽带包上，并放在斑点上，加1～2ul甘油润湿吸附剂，使它能粘附在探针上，然后按常规方法测定。 4.场致电离和场解析电离质谱 (1).基本原理

①.场致电离法（Field Ionization, FI)

阳极，阴极近1mm, 两极之间施加几千伏—上万伏直流电压，阳极尖端附近产生107V/cm强电场，强电场可把尖端附近不到1mm处样品分子中的电子拉走，形成M+ ，然后加速聚焦成粒子束, M+离子太少

②.场解析电离法（Field Desorption Ionization, FD) 1969年Beckey 发明的（原理同FI，样品引入不同），将样品稀溶液直接涂在阳极上，加10KV高电压使样品电离M+比FI还大。 (2).特点

场致电离是一种温和的离子化方法，谱图以分子离子或准分子离子强、碎片离子少为特征。FI主要用于测定有机化合物的分子量，对于那些在电子轰击条件下不生成或只生成很弱的分子离子峰的样品，FI是一个极有用的补充。由于大部分场致电离质谱相当简单，这种方法也被用于混合物的分析。 5.电喷雾电离质谱 (1).基本原理

电喷雾电离质谱（Electro Spray Ionization，ESI），是一种使用静电场的电离技术，内衬弹性石英管的不锈钢毛细管被加以3～5KV的正电压，与相距约1cm接地的反电极形成强静电场。被分析的样品溶液从毛细管流出时在电场作用下形成高度荷电的雾状小液滴；在向质量分析器移动的过程中，液滴因溶剂的挥发逐渐缩小，其表面上的电荷密度不断增大。当电荷的排斥力足以克服表面张力时，液滴发生裂分；经过这样反复的溶剂挥发-液滴裂分过程，最后产生单个多电荷离子。 (2).特点

ESI在大气压力和环境温度下进行，被分析物的分子在电离过程中通常产生多重质子化的离子。电喷雾通常要选择合适的溶剂。除了考虑对样品的溶解能力外，溶剂的急性也需考虑。一般来说，极性溶剂（如甲醇、乙腈、丙酮等）更适合于电喷雾。ESI-MS既可分析大分子也可分析小分子。对于分子量在1000Da以下的小分子。会产生[M+H]+或[M-H]-离子，选择相应的正离子或负离子形式进行检测，就可得到物质的分子量。而分子量高达20，000Da的大分子在ESI-MS中生成一系列多电荷离子，通过数据处理系统能够得到样品的分子量。 6.基质辅助激光解吸离子化质谱 (1).基本原理

60年代后期，激光技术开始应用于质谱分析中，这主要包括两个方面：一是多光子技术，包括多光子电离和光致解离，通过激光光子与气相中的分子或离子的作用使其电离或解离；所研究的是相对较小的分子。另一方面是激光解吸技术，通过激光束与固相样品的作用使其产生分子离子和具有结构信息的碎片；所研究的是结构较为复杂、不易气化的大分子。 (2).特点

①.使一些难电离试样电离，且有较少碎片，易获得分子电离产物。对高分子化合物的测定十分有利。

②.因使用的是脉冲式激光，适与飞行时间质谱(TOF-MS)联用 7.化学电离源质谱

(1).正离子化学电离质谱

在EI-MS中，样品分子直接与具有一定能量的电子作用（70ev），产生M+，M+具有较高的热力学能，从而进一步发生碎裂，使有些样品M+峰低或难于得到M+。 (2).负离子化学电离质谱

70年代后期是NCI-MS发展盛期，人们研究了一系列反应气，测试这些反应气对样品分子的M+或伪分子离子的产生率，进行环境、生物或医药中痕量物质测定，从混合物中得到特征离子。测试未知物结构，特别是在食品、草药中农药残留量的测定等进行了广泛的应用。 8.其它质谱

(1).大气压化学电离质谱

大气压电离（Atmospheric Pressure Ionization, API），主要是应用于高效液相色谱（HPLC）和质谱计联机时的电离方法。试样的离子化在处于大气压下的离子化室中进行。它包括电喷雾电离（Electrospray Ionization, ESI）和大气压化学电离（Atmospheric Pressure Chemical Ionization, APCI）。 (2).二次离子质谱

快原子轰击（Fast Atom Bombardment，FAB）

液体二次离子质谱（Liquid Secondary Ion Mass Spectrometry，LSI-MS） FAB-MS使用中性原子束 LSI-MS使用离子束

第七章 综合解析（第31-34节）课时安排4学时

[基本内容]

图谱解析应注意的问题和一般过程。解析实例分析。 [基本要求]

熟悉：图谱解析的一般过程。 了解：图谱解析应注意的问题。 1.概述

(1).图谱解析过程中应注意的问题 ①.注意待测试样的纯度

②.注意试样谱图以外的相关信息 (2).综合解析中常用的谱学方法 ①.13C-NMR

a.判定碳原子个数及其杂化方式 b.根据DEPT谱判定碳原子的类型

c.根据化学位移值判定羰基的存在与否及其种类

d.根据化学位移值判定芳香族或烯烃取代基的数目并推测取代基的种类 ②.1H-NMR

a.根据积分曲线的数值推算结构中质子个数

b.根据化学位移值判定结构中是否存在羧酸、醛、芳香族、烯烃和炔烃质子

c.根据化学位移值判定结构中与杂原子、不饱和键相连的甲基、亚甲基和次甲基的存在与否 d.根据自旋-自旋偶合裂分判定集团的连接情况

e.根据峰形判定结构中活泼质子的存在与否 ③.IR

a.判定结构中含氧官能团的存在与否 b.判定结构中含氮官能团的存在与否 c.判定结构中芳香环的存在与否

d.判定结构中烯烃、炔烃的存在与否和双键的类型 ④.MS

a.根据准分子离子峰判定分子量

b.判定结构中氯、溴原子的存在与否 c.判定结构中氮原子的存在与否

d.简单的碎片离子可与其他图谱所获得的结构片段进行比较 2.结构解析的过程 (1).分子式的推断 ①.碳原子个数的推断 ②.质子个数的推断 ③.氧原子个数的推断 ④.氮原子个数的推断 ⑤.卤素存在与否的判定 ⑥.硫、磷存在与否的判定 ⑦.不饱和度的计算

(2).结构片段的确定和连接

以某些熟知的官能团或结构片段为出发点，扩大未知的结构片段。用该方法可推测出若干个结构片段，最后把这些结构片段组合在一起就可以推断整个化合物的结构。这一推导过程没有固定的程序，可根据待测试样的实际情况，利用自己最擅长和最简明的仪器分析方法获得尽可能多的信息，来推断化合物的结构。 3.解析举例

57.3 114.7

COOH116.6 123.9 126.1 149.5 153.5 170.8

OCH3OH

4、课后思考题或作业 (1).基本概念。

(2).如何判断化合物的化学位移？

(3).如何判断核磁共振谱中各峰的归属？

5.如何根据核磁共振谱图判断常见简单有机化合物的结构？

习题课（第35-36节）课时安排2学时

简介四大波谱主要内容以及章节重点和难点，提高分析问题和解决问题的能力。

六、教学参考资料

[1] [2] [3]

李发美主编．分析化学（下册）．人民卫生出版社，2003．

宁永成编著．有机化合物结构鉴定与有机波谱学．科学出版社，2000． 陈耀祖，凃亚平编著．有机质谱原理及应用．科学出版社，2001．

七 备注

《有机化合物波谱解析》作为专业基础课，应强调应用而不是纯理论记忆，应注意多锻炼和提高学生分析问题和解决问题的能力，要求学生能结合四种谱学对简单结构进行推断。