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  1. 有机结构波谱分析

  2. 有 机 质 谱 质谱Mass Spectrum, MS 有机质谱Organic Mass Spectra, OMS 质谱学Mass Spectrometry 质谱计Mass Spectrometer

  3. 质 谱 计 质谱计构造、离子化的方法、 质量分析器、质谱计简介 质谱基本知识 质谱术语 、 质谱中的离子 、 分子离子与分子式 有机质谱中的裂解反应 研究裂解反应的实验方法 、 有机质谱裂解反应机理 各类有机化合物的质谱 质谱解析及应用

  4. 主要参考书: E.D Hoffmam,J.Charette,V.Stroobant,Mass Spectrometry, Prenciples and Applications,John Wiley & Sons,1996. F.W.McLafferty: Interpretation of Mass Spectra,3rd ed Mill Valley: Calif. Univ. Sci. Books. 1980 练振琼: 有机质谱解析 四川大学出版社 1990 丛浦珠:质谱学在天然有机化学中的应用 科学出版社 1987 宁永成,有机化合物结构鉴定与有机波谱学,科学出版社,2002。

  5. 发展史: 1898 W. Wien发现带正电荷的离子束在磁场中发生偏转。 1910 J. J. Thompson使用简单的电场-磁场组合装置, 获得了抛 物线族的质谱, 证明了20Ne, 22Ne两种同位 素的存在。 1918A. J. Dempster采用电子轰击技术使分子离子化。 1919 F. W. Aston制得了第一台速度聚焦质谱仪。提出每种同 位素的质子和中子在结合成原子核时, 具有 特定的质量亏损(并非整数值)。 1942 商品MS出现, 用于石油精炼和橡胶工业。

  6. 特点: ◆质谱不属波谱范围 ◆质谱图与电磁波的波长和分子内某种物理量 的改变无关 ◆质谱是分子离子及碎片离子的质量与其相对强度的谱, 谱图与分子结构有关 ◆质谱法进样量少, 灵敏度高, 分析速度快 ◆质谱是唯一可以给出分子量, 确定分子式的方法, 而分子式的确定对化合物的结构鉴定是至关重要的。

  7. 质谱计框图 进样系统 真空系统 离子源 加速区 质量分析器 计算机数据 处理系统 检测器

  8. 质谱计构造 真空系统: • 离子源和质量分析器的压力在10–4 ~ 10–5 Pa和10–5 ~ 10–6 Pa。 • 大量氧会烧坏离子源的灯丝; • 用作加速离子的几千伏高压会引起放电; • 引起额外的离子-分子反应,改变裂解模型,谱图复杂化。

  9. 进样系统 ◆在不破坏真空度的情况下,使样品进入离子源 ◆气体可通过储气器进入离子源 ◆易挥发的液体,在进样系统内汽化后进入离子源 ◆难挥发的液体或固体样品,通过探针直接插入离子源。

  10. Sample Introduction:Gas Chromatography-MS (GC-MS) • GC output to mass spectrometer • Sample already in gas phase

  11. Sample Introduction:Direct Insertion Probe (DIP) • Direct insertion probe • Conceptually very easy, practically very tricky

  12. Sample Introduction:Liquid Chromatography-MS (LC-MS) • Direct infusion of sample in solution • Syringe pump: slow steady infusion • Output from HPLC • Separation and identification of components • Vast majority of solution is solvent • Must remove solvent to “see” analyte • Historically: extra pumping and heating • Applicable to electrospray ionisation • ESI: see later

  13. 离子源 +. + 2e M + e M 50-70eV -. +. M 小于1% A + 中性分子或碎片 +. M . + B R + C +. + D 分子失去电子,生成带正电荷的分子离子 分子离子可进一步裂解,生成质量更小的碎片离子

  14. 离子源与高真空系统连接.小分子,中性碎片,自由基被抽出.离子源与高真空系统连接.小分子,中性碎片,自由基被抽出. 在离子源的出口,对离子施加一个加速电压(1000~ 8000eV), 加速后的通过狭缝,直线射入质量分析器。离子加速电压值因质量分析器不同而不同。离子化的方法下面进一步介绍

  15. 质量分析器 ◆质量分析器是质谱计的核心 ◆不同类型的质量分析器构成不同类型的质谱计 ◆不同类型的质谱计其功能,应用范围,原理, 实验方法均有所不同。 下面进一步介绍

  16. 检测记录系统 质量分析器分离并加以聚焦的离子束, 按m/z的大小依次通过狭缝,到达收集器。 经接收放大后被记录。

  17. 离子化的方法 电子轰击电离 Electron Impact Ionization, EI 化学离子化 Chemical Ionization, CI 场电离,场解吸 Field Ionization FD, Field Desorption FD 快原子轰击 Fast Atom Bombardment, FAB 基质辅助激光解析电离 Matrix-Assisted Laser Desorption Ionization, MALDI 电喷雾电离 Electrospray Ionization, ESI 大气压化学电离 Atmospheric Pressure Chemical Ionization, APCI

  18. 电子轰击电离 EI 电子轰击电离又称为电子轰击,或电子电离。是应用最 普遍,发展最成熟的电离方法。 轰击电压 50-70eV, 有机分子的电离电位一般为7-15eV。 可提供丰富的结构信息。 有些化合物的分子离子不出现或很弱

  19. 电子轰击电离 Electron Impact (EI) + : R1 + : R2 : R3 + : R4 + + : e (M-R2)+ (M-R1)+ Mass Spectrometer M+ (M-R3)+

  20. + + 试样分子 气体分子 准分子离子 电子 + (M+1)+;(M+17) +;(M+29) +; 化学电离(Chemical Ionization,CI) 离子室内的反应气(甲烷等;10~100Pa,样品的103~105倍),电子(100~240eV)轰击,产生离子,再与试样分离碰撞,产生准分子离子。 最强峰为准分子离子; 谱图简单; 不适用难挥发试样;

  21. 化学电离 CI CH4+· + CH4 → CH5+ + CH3· (48%) CH3+ + CH4 → C2H5+ + H2 (41%) CH2+· + 2CH4 → C3H5+ + 2H2 (6%) ······ CH5+, C2H5+ , C3H5+等为稳定的次级离子。 小分子如 CH4 , (CH3)2CH 等。 以CH4为例 CH4 + e → CH4+· + 2e (46%) CH3+ (39%) CH2+·(7%) 初级离子: CH4+·,CH3+ , CH2+·

  22. 准分子离子[QM] + M + CH5+ → [MH] ++ CH4 M + C2H5+ → [MH] + + C2H4 M + C2H5+ → [MH] + + C2H6

  23. Ionisation Methods:Chemical Ionisation (CI) • Softer than EI: much less fragmentation • Methane ionised by EI: • Other gases may be used • Relatively high pressure »0.5 mmHg • Bimolecular collisions • CH5+ behaves as “super acid”

  24. Ionisation Methods:Charge Transfer in CI • CH5+ protonates sample: e.g. • Mass detected is [M+H]+ • Not a radical cation: c.f. EI • EI & CI: applicable to low MW analytes • i.e less than approximately 800 Daltons

  25. + + + 阳极 + + + + + + + + + + d<1mm 阴极 场致电离 Field Ionization Field Desorption (FI,FD) 电压:7-10 kV;d<1 mm; 强电场将分子中拉出一个电子; 分子离子峰强; 碎片离子峰少; 不适合化合物结构鉴定;

  26. 场电离 FI 当样品蒸汽接近或接触带高正电位的金属针时, 在强电场的作用下发生电离。要求样品分子处于气 态,灵敏度不高,应用逐渐减少。

  27. 场解吸 FD 样品不需汽化, 预先附在处理好的场离子发射 体上, 送入离子源, 然后通以微弱电流, 使样品分子 从发射体上解吸下来, 并扩散至高场强的场发射区, 进行离子化。 适用于难汽化, 热不稳定的样品. 如: 糖类,肽 类,金属有机化合物,聚合物等。

  28. 快原子轰击(FAB) 惰性气体Ar或Xe的原子首先被电离并被加速, 使之具有高的动能,在原子枪(atom gun)内进行电荷交换反应: Ar+(高动能的)+ Ar(热运动的)→Ar(高动能的)+ Ar+(热运动的) 高动能的Ar或Xe原子束再轰击样品分子使其离子化

  29. FAB是目前广泛使用的软电离技术,适用于难汽化,极性强的大分子。样品用基质调节后黏附在靶物上。 常用的基质有甘油,硫代甘油,3-硝基苄醇,三乙醇胺等。 注意:FAB质谱图中会出现基质分子产生的相应的峰及基质分子与样品分子的结合峰。 例如:3-硝基苄醇作为基质时,会出现 m/z154(MH), 136(MH–H2O), 289(MMH–H2O) 的峰。

  30. 利用不同离子源获得的质谱图

  31. 基质辅助激光解析电离 (MALDI) MALDI可使热敏感或不挥发的化合物由固相直接得到 离子。 待测物质的溶液与基质的溶液混合后蒸发,使分析物 与基质成为晶体或半晶体,用一定波长的脉冲式激光进行 照射时,基质分子能有效的吸收激光的能量,使基质分子 和样品分子进入气相并得到电离。 MALDI适用于生物大分子,如肽类,核酸类化合物。可得到分子离子峰,无明显碎片峰。此电离方式特别适合于飞行时间质谱计。

  32. Ionisation Methods:MALDI • Matrix Assisted Laser Desorption Ionisation • Solid matrix: e.g. dihydroxybenzoic acid • Matrix absorbs energy at l of laser used • Causes vapourisation of matrix and analyte • Proton transfer to analyte (or Li, Na, K) • Detection by mass spectrometer • Applicable to MW up to 12,000D and • Thermally labile analytes • Polymers and biomolecules • Minute quantities required

  33. Ionisation Methods:Schematic of A MALDI Chamber • Solid solution • Matrix/analyte/cations

  34. 电喷雾电离(ESI)和 大气压化学电离(APCI)

  35. 保温层 HPLC 样品溶液 氮气雾化 雾化管端 施加高电压 通过加热 管被汽化 加热管端 尖端放电 抽真空 单电荷或多 电荷离子 溶剂分子电离 样品分子电离

  36. 电喷雾电离(ESI) 流出液在高电场下形成带电喷雾,在电场力作用下穿过气帘; 气帘的作用:雾化;蒸发溶剂;阻止中性溶剂分子

  37. Analyte Ions Solvent Ion Clusters Salts/Ion pairs Neutrals Charged Droplets Evaporation 准分子离子 + + + + + + + + + + + - - - + + - + - - + + + Rayleigh Limit Reached + + - - + - + + + + + - 其他离子 + + + + - + - - + - - - + + + + + 试样离子 + + + + + + 电喷雾电离(ESI)

  38. 电喷雾电离(ESI)

  39. 电喷雾电离 电喷雾产生多电荷离子, 相对分子质量Mr计算: 选相邻峰,电荷n, n +1 m1=(Mr + n)/2 m2=(Mr + n+1)/ (n+1) 计算结果如表。 不适用于非极性化合物

  40. 质量分析器Mass Analysers • Separate ions according to m/z ratio • Five basic types of analyser: • 1) Magnetic sector (electrostatic) • 2) Quadrupole • 3) Ion traps • 4) Time of flight • 5) FTICR

  41. Mass Analysers:Factors to Consider • Upper mass limit: • Highest m/z that can be detected • May be offset by multiple charges • Resolution: • Distinct signals for similar m/z ratios • Transmission: • Ratio of ions reaching detector: ions produced • Cost

  42. Mass Analysers:Resolution (Resolving Power) • Ability to resolve two signals of similar m/z • Resolved if valley is <10% • Higher resolution: greater accuracy • e.g. R=20,000:Separate m/z 100.0000 from m/z 100.0050 • Accuracy needed: • High Resolution Mass Spectrometry (HRMS) • Determine elemental composition of an ion • Vital to confirm structure

  43. Mass Analysers:High Resolution Mass Spectrometry • HRMS or accurate mass determination • Determines elemental composition • Consider two ions: 1) [C24H19N]+: nominal mass: 321 2) [C21H23NS]+: nominal mass: 321 • Using C=12, H=1, N=14 and S=32 • Can we differentiate these two ions? • Need to calculate the monoisotopic accurate mass

  44. = 321/(321.1546-321.1513) = 97,273 • Mass spectrometer with R»100,000 can distinguish between these two ions Mass Analysers:HRMS: An Example • Exact mass of most abundant isotope (monoisotpoic) • C=12.0000, H=1.0078, N=14.0031, S=31.9721 1) [C24H19N]+: accurate mass: 321.1513 2) [C21H23NS]+: accurate mass 321.1546 • R = M/DM

  45. 质量分析器 磁分析器, 静电分析器 磁分析器- 单聚焦质谱计 只有一扇形磁场的质量分析器又称为磁分析器。 加速后离子具有一定的动能: ( ),该动 能是由离子在加速电场获得的电势能(zV)转化的。

  46. I F B 加速后的离子进入磁场, 其运动方向( I )和磁力线的方向(B)相互垂直。 离子受到一个与其运动方向和磁力线的方向都垂直的力(F)的作用,三者的关系可用左手定则确定。 离子沿着I和B合力的方向运动,即受到磁场的偏转作弧形运动。

  47. 结合 ,导出 离子作弧形运动的离心力( )和受磁场作用的向心力( Bzv ) 大小相等。 当仪器的狭缝固定(R=常数),B由小到大改变(扫场), 则离子按m/z由小到大通过狭缝,到达检测器,被收集并记 录下各质荷比的离子的相对强度。 相同m/z的离子,速度相同,色散角不同,经磁场偏转 后,会重新聚在一点上。即静磁场具有方向聚焦,称之单聚焦。

  48. 单聚焦磁场分析器 磁场 R S1 S2 B 离子源 收集器 方向聚焦; 相同质荷比,入射方向不同的离子会聚; 分辨率不高

  49. 静电分析器 +磁分析器- 双聚焦质谱计 静电分析器由两个同心圆板组成,两圆板之间保持一定的电位差(E)。