化合物種類 | 碎裂模式 | 質譜中特徵峰的質荷比 | 質譜實例 |
---|---|---|---|
烷 | 除分子離子外,分子離子還會失去一個烷基自由基,生成其他較細小的 \(\ce{R^{\small{+}}}\)。 | \(15\)、\(29\)、\(43\) 和 \(57\) 等 | 戊烷、二甲基丁烷、2,2-二甲基丙烷 |
芳香族化合物 | 芳香族化合物的分子離子會傾向碎裂,生成苄基陽離子 \(\ce{C6H5CH2^{\small{+}}}\),重排後生成穩定的碳陽離子 \(\ce{C7H7^{\small{+}}}\)。 \(\ce{C7H7^{\small{+}}}\) 還會繼續釋出一個不帶電的乙炔分子,生成 \(\ce{C5H5^{\small{+}}}\)。 |
\(91\)、\(65\) | 甲基苯、乙基苯 |
醛和酮 | 醛 \(\ce{(RCHO)}\) 和酮 \(\ce{(RCOR')}\) 的分子離子的羰基旁的化學鍵,很容易碎裂,以生成相應的碎片離子。 | 醛:\(\text{M}-1\)、\(\text{M}-29\) 、\(29\) 酮:\(\ce{R^{\small{+}}}\)、\(\ce{R'^{\small{+}}}\)、\(\ce{RCO^{\small{+}}}\) 、\(\ce{R'CO^{\small{+}}}\) 的相對質量 |
苯甲醛、丁醛、丁酮、戊-3-酮 |
烷的分子離子通常會失去一個烷基自由基,生成其他較細小的 \(\ce{R^{\small{+}}}\)。
我們以戊烷 \(\ce{CH3CH2CH2CH2CH3}\)、二甲基丁烷 \(\ce{(CH3)2CHCH2CH3}\) 和 2,2-二甲基丙烷 \(\ce{(CH3)3CCH3}\) 為例,了解烷的碎裂模式。這三種烷烴的分子式均為 \(\ce{C5H12}\),它們是同分異構體。
戊烷的相對分子質量 \(= 72.0\),因此在 \(m/z = 72\) 處出現分子離子峰。除此之外,戊烷的分子離子還會發生以下主要的碎裂:
\[\begin{align} & \nearrow \;\;\;\; \ce{\underset{\large{\; m/z \;=\; 57} \\ \large{(M^{$\underset{\bullet}{\normalsize{+}}$} \; - \; 15) \\ \;}}{CH3CH2CH2CH2^{\small{+}}} \; + \;.CH3}\\ \ce{[CH3CH2CH2CH2CH3]^{$\underset{\bullet}{\scriptsize{+}}$}}\;\; & \ce{->} \;\; \ce{\underset{\large{\; m/z \;=\; 43}\\ \large{(M^{$\underset{\bullet}{\normalsize{+}}$} \; - \; 29)\\ \; }}{CH3CH2CH2^{\small{+}}} \; + \; .CH2CH3 } \\ & \searrow \;\;\;\; \ce{\underset{\large{\; m/z \;=\; 29} \\ \large{(M^{$\underset{\bullet}{\normalsize{+}}$} \; - \; 43)}}{CH3CH2^{\small{+}}} \; + \; .CH2CH2CH3 } \\ \end{align}\]因此,在 \(m/z = 57\)、\(43\) 和 \(29\) 處亦出現質譜峰。\(m/z = 43\) 處的峰是基本峰,它源自 \(\ce{CH3CH2CH2^{\small{+}}}\)。
二甲基丁烷的分子離子會發生以下主要的碎裂:
\[\begin{align} & \nearrow \;\; \;\; \ce{\underset{\large{\; m/z \;=\; 57} \\ \large{(M^{$\underset{\bullet}{\normalsize{+}}$} \; - \; 15)} \\ \;}{CH3\overset{\small{+}}{C}HCH2CH3} \; + \; .CH3} \\ \ce{[(CH3)2CHCH2CH3]^{$\underset{\bullet}{\scriptsize{+}}$}}\;\; & \ce{->} \;\; \ce{\underset{\large{\; m/z \;=\; 43}\\ \large{(M^{$\underset{\bullet}{\normalsize{+}}$} \; - \; 29)} \\ \; }{(CH3)2\overset{\small{+}}{C}H} \; + \; .CH2CH3 } \\ & \searrow \;\; \;\; \ce{\underset{\large{\; m/z \;=\; 29} \\ \large{(M^{$\underset{\bullet}{\normalsize{+}}$} \; - \; 43)}}{CH3CH2^{\small{+}}} \; + \; .CHCH(CH3)2 } \\ \end{align}\]因此,除在 \(m/z = 72\) 處出現分子離子峰外,在 \(m/z = 57 \)、\(43\) 和 \(29\) 處亦出現質譜峰。\(m/z = 43\) 處的峰是基本峰,它源自 \(\ce{(CH3)2\overset{\small{+}}{C}H}\)。
思考:為甚麼二甲基丁烷的質譜中 \(m/z = 57\) 處的峰比戊烷質譜中相應的峰強很多?
二甲基丁烷質譜中的這個峰源自二級碳陽離子 \(\ce{CH3\overset{\small{+}}{C}HCH2CH3}\),而戊烷質譜中相應的峰源自一級碳陽離子 \(\ce{CH3CH2CH2CH2^{\small{+}}}\),二級碳陽離子的穩定性高於一級碳陽離子,因此二甲基丁烷的質譜中 \(m/z = 57\) 的質譜峰比戊烷質譜中的強。
2,2-二甲基丙烷的主要碎裂只有一種,即分子離子失去一個甲基自由基,生成一個三級碳陽離子。
\[\ce{[(CH3)3CCH3]^{$\underset{\bullet}{\scriptsize{+}}$} \; -> \; \underset{ \large{\; m/z \;=\; 57} \\ \large{(M^{$\underset{\bullet}{\normalsize{+}}$} \; - \; 15)} }{(CH3)3C^{\small{+}}} \; + \; .CH3 }\]所以,在 \(m/z = 57\) 處出現很強的基本峰。由於三級碳陽離子的穩定性很高,因此分子離子很容易發生這種碎裂,以致在 2,2-二甲基丙烷的質譜中很難觀察到分子離子峰。
醛和酮的分子離子的羰基旁的化學鍵,很容易碎裂,生成相應的碎片離子。
因這種碎裂而形成的碎片離子可能有四種 (如下圖所示)。由於不同碎裂模式所生成的碎片離子的穩定性有所不同,因此它們的相對強度亦不同。
我們以苯甲醛、丁醛、丁酮和戊-3-酮的質譜為例,了解醛和酮的這種碎裂模式。
苯甲醛的相對分子質量 \(= 106.0\),因此在 \(m/z = 106\) 處出現分子離子峰。除此之外,分子離子的羰基旁的化學鍵很容易發生碎裂:
\[\begin{align} \ce{[C6H5CHO]^{$\underset{\bullet}{\scriptsize{+}}$}}\;\; & \ce{->} \;\; \ce{\underset{\large{\; m/z \;=\; 105}\\ \large{(M^{$\underset{\bullet}{\normalsize{+}}$} \; - \; 1)\\ \; }}{C6H5CO^{\small{+}}} \; + \; .H } \\ & \searrow \;\;\;\; \ce{\underset{\large{\; m/z \;=\; 77} \\ \large{(M^{$\underset{\bullet}{\normalsize{+}}$} \; - \; 29)}}{C6H5^{\small{+}}} \; + \; .CHO } \\ \end{align}\]因此,在 \(m/z = 105\) 和 \(77\) 處亦出現質譜峰。\(m/z = 77\) 處的峰是基本峰,它源自 \(\ce{C6H5^{\small{+}}}\)。
丁醛的相對分子質量 \(= 72.0\),因此在 \(m/z = 72\) 處出現分子離子峰。除此之外,分子離子的羰基旁的化學鍵很容易發生碎裂:
\[\begin{align} & \nearrow \;\; \;\; \ce{\underset{\large{\; m/z \;=\; 71} \\ \large{(M^{$\underset{\bullet}{\normalsize{+}}$} \; - \; 1)} \\ \;}{CH3CH2CH2CO^{\small{+}} }\; + \; .H} \\ \ce{[CH3CH2CH2CHO]^{$\underset{\bullet}{\scriptsize{+}}$}}\;\; & \ce{->} \;\; \ce{\underset{\large{\; m/z \;=\; 43}\\ \large{(M^{$\underset{\bullet}{\normalsize{+}}$} \; - \; 29)\\ \; }}{CH3CH2CH2^{\small{+}}} \; + \; .CHO } \\ & \searrow \;\;\;\; \ce{\underset{\large{\; m/z \;=\; 29} \\ \large{(M^{$\underset{\bullet}{\normalsize{+}}$} \; - \; 43)}}{CHO^{\small{+}}} \; + \; .CH2CH2CH3 } \\ \end{align}\]因此,在 \(m/z = 71\)、\(43\) 和 \(29\) 處亦出現質譜峰。
丁醛質譜的基本峰的質荷比為 \(44\)。它源自丁醛的分子離子發生 McLafferty 重排後,生成的 \(\ce{CH2=CH-\overset{\small{+}{\bullet}}{O}H}\)。 \(m/z = 44\) 的質譜峰亦是具有 \(\gamma-\ce{H}\) 的醛的特徵峰之一。
丁酮的相對分子質量 \(= 72.0\),因此在 \(m/z = 72\) 處出現分子離子峰。除此之外,分子離子的羰基旁的化學鍵很容易發生碎裂:
\[\begin{align} & \nearrow \;\; \;\; \ce{\underset{\large{\; m/z \;=\; 57} \\ \large{(M^{$\underset{\bullet}{\normalsize{+}}$} \; - \; 15)} \\ \;}{CH3CH2CO^{\small{+}} }\; + \; .CH3} \\ \ce{[CH3COCH2CH3]^{$\underset{\bullet}{\scriptsize{+}}$}}\;\; & \ce{->} \;\; \ce{\underset{\large{\; m/z \;=\; 43}\\ \large{(M^{$\underset{\bullet}{\normalsize{+}}$} \; - \; 29)\\ \; }}{CH3CO^{\small{+}}} \; + \; .CH2CH3 } \\ & \searrow \;\;\;\; \ce{\underset{\large{\; m/z \;=\; 29} \\ \large{(M^{$\underset{\bullet}{\normalsize{+}}$} \; - \; 43)}}{CH3CH2^{\small{+}}} \; + \; .COCH3 } \\ & \searrow \;\;\;\; \ce{\underset{\large{\; m/z \;=\; 15} \\ \large{(M^{$\underset{\bullet}{\normalsize{+}}$} \; - \; 57)}}{CH3^{\small{+}}} \; + \; .CH2COCH3 } \\ \end{align}\]因此,在 \(m/z = 57\)、\(43\)、\(29\) 和 \(15\) 處亦出現質譜峰。\(m/z = 43\) 處的峰是基本峰,它源自 \(\ce{CH3CO^{\small{+}}}\)。
戊-3-酮的相對分子質量 \(= 86.0\),因此在 \(m/z = 86\) 處出現分子離子峰。除此之外,分子離子的羰基旁的化學鍵很容易發生碎裂:
\[\begin{align} \ce{[CH3CH2COCH2CH3]^{$\underset{\bullet}{\scriptsize{+}}$}}\;\; & \ce{->} \;\; \ce{\underset{\large{\; m/z \;=\; 57}\\ \large{(M^{$\underset{\bullet}{\normalsize{+}}$} \; - \; 29)\\ \; }}{CH3CH2CO^{\small{+}}} \; + \; .CH2CH3 } \\ & \searrow \;\;\;\; \ce{\underset{\large{\; m/z \;=\; 29} \\ \large{(M^{$\underset{\bullet}{\normalsize{+}}$} \; - \; 57)}}{CH3CH2^{\small{+}}} \; + \; .COCH2CH3 } \\ \end{align}\]因此,在 \(m/z = 57\) 和 \(29\) 處亦出現質譜峰。\(m/z = 57\) 處的峰是基本峰,它源自 \(\ce{CH3CH2CO^{\small{+}}}\)。
芳香族化合物的分子離子會傾向於碎裂成苄基陽離子 \(\ce{C6H5CH2^{\small{+}}}\),苄基陽離子重排能生成穩定的碳陽離子 \(\ce{C7H7^{\small{+}}}\)。我們以甲基苯和乙基苯為例,說明芳香族化合物的典型碎裂模式。
甲基苯的相對分子質量 \(= 92.0\),因此在 \(m/z = 92\) 處出現分子離子峰。除此之外,甲基苯還會發生以下碎裂,生成芐基陽離子 \(\ce{C6H5CH2^{\small{+}}}\)。芐基陽離子經重排,可形成穩定的碳陽離子 \(\ce{C7H7^{\small{+}}}\),因此在 \(m/z = 91\) 處出現基本峰。
在乙基苯的質譜中,除了 \(m/z = 106\) 處出現分子離子峰外,在 \(m/z = 91\) 處亦出現基本峰。這個基本峰同樣是源自芐基陽離子 \(\ce{C6H5CH2^{\small{+}}}\) 重排後而生成的碳陽離子 \(\ce{C7H7^{\small{+}}}\)。
碳陽離子 \(\ce{C7H7^{\small{+}}}\) 會繼續釋出一個不帶電的乙炔分子,生成 \(\ce{C5H5^{\small{+}}}\),因此,在甲基苯和乙基苯的質譜中,在 \(m/z = 65\) 處均出現另一特徵質譜峰。