有機質譜譜圖解析(第一節)

 「ChemDraw」軟體的使用

        俗話說：「磨刀不誤砍柴工」，在學習有機質譜譜圖解析的時候，首先我們要熟練掌握「ChemDraw」這一軟體的使用。平時需多加練習，將作圖當成一門藝術(Science∩art=wonder)，使所畫出來的圖能夠賞心悅目，也增加對質譜解析學習的興趣，也給枯燥的學習過程增加一種情趣，同時對質譜裂解途徑的分析也將更趨合理。（群文件下載：Chemdraw 2014）

有機質譜解析大致涉及的兩種類型（正向、逆向）：

A: 通過對未知化合物所得譜圖的分析，進而解析出化合物結構；

B: 通過對已知化合物所得譜圖的分析，進而推測其質譜裂解途徑；對一類化合物的質譜分析總結其裂解規律；探究及證明可能的質譜裂解機理。

第一章 前 言

        早期，質譜主要應用於化合物結構的鑑定，有機化學家可通過質譜圖的分子離子判定化合物的分子量，再通過諸多的碎片離子信息判斷化合物的結構組成。隨著核磁共振譜儀器的快速發展及其優異的結構解析能力，目前有機化學家已較少利用質譜圖來推測化合物的結構，可能大多數只是依靠高分辨質譜儀活動化合物的元素組成，取而代之的是分析化學家利用質譜圖進行化合物的鑑定(定性)的工作。

       有機質譜中的裂解方式是極其複雜的，通過對各類有機化合物的質譜裂解方式和機理的探討研究，我們可以發現有一些特徵結構的裂解方式在有機質譜的裂解中是普遍存在的，是世界上大量質譜學家通過對大量的有機質譜裂解方式進行觀察、研究後的概括性總結。所以其具有很重要的參考價值和應用價值，所以在有機質譜解析過程中，應當給予遵循，這樣才能得到合理的質譜裂解方式和準確的解析結果。

第二章 概 述

有機質譜研究的對象

有機質譜研究的對象：氣相離子

離子結構的概念

       質譜反應中各種離子的真正結構，它有3個方面的含義，即：原子的排列次序、立體結構、電子結構，知道離子結構對於裂解機理的闡述、結構的解析有著十分重要的作用。遺憾的是，離子是在運動中產生，加上它處於受激的狀態，因此確定離子結構是一件非常麻煩而又困難的事情，它不能像分子結構那樣直接可以加以確定。目前離子結構可通過亞穩躍遷、同位素標記、熱力學等間接的方法來確定離子的原子排列次序，當然這是很費時間而且僅局限於組成比較簡單的低質量離子，對於結構複雜的大質量離子則是一籌莫展。

       所以在很多的文獻資料中畫出離子的可能結構是十分經常的事，應該這樣說，雖然作者在畫這些離子結構時有著很大的隨意性，但是他們都是企圖將離子結構與原來的分子結構或部分結構聯繫起來，一方面為了形象的描述裂解途徑，另一方面是通過裂解途徑總結裂解規律，以指導譜圖的解析。實際上，以往的很多的裂解規律的總結都是卓有成效的，這就說明在離子結構本身不是很清楚的情況下，並不妨礙我們用一種方法來近似的描述離子的裂解途徑。質譜是一門研究氣相離子結構、性質及反應行為的科學，通過運用電子轉移的規律可以近似的對碎裂反應途徑加以分析。

質譜圖所提供的信息

下圖為一張典型的電子電離(Electron Ionization, EI)質譜圖，質譜圖中的X軸提供的是離子的質合比(Mass-to-Charge Ratio,m/z)。Y軸提供的是這些離子峰的相對強度(Relative Intensity)或以離子數目呈現，一般是以相對百分強度的形式表示，即將譜圖中的最強峰的強度定義為「100%」，其他離子均是相對其的強度。有一個問題需要值得注意，就是我們往往只注意了「m/z」，而忽略了「Intensity」可能會導致結構解析有誤。譜圖中存在的離子峰有：分子離子峰(或準分子離子峰/加合離子峰，ESI/CI/APCI源等)、同位素離子峰、碎片離子峰、基峰、重排離子峰等。下圖可以觀察到完整分子離子(Molecular Ion)峰(m/z 522)與其他的碎片離子峰m/z  77、m/z 135、m/z 163、m/z 191等)以及重排離子峰(m/z 250、m/z  274等)，信號強度最強的峰稱作為基峰(Base Peak，一般將其相對強度定為100 %)，本圖中基峰為m/z 274。

由於不同結構的分子被電離的難易程度及效率不同，以及分子結構穩定性的不同，分子離子峰的強度隨化合物結構不同而強度不一。

質譜圖類型

當特定質荷比的離子被檢測後，其所呈現的原始離子峰如下圖(a)所示，其稱作輪廓圖(Profile Spectrum)，其離子含量正比於曲線下的面積；用此離子峰的重心點(Centroid)來表示的質荷比與信號強度所繪製的圖，稱作棒狀圖(Bar Graph Spectrum)，如下圖(b)所示。

同位素、質量

        絕大多數的元素在自然界中含有同位素(具有相同質子數不同中子數)，如C原子具有12C(98.92%)、13C (1.08%)以及極其微量的14C三種同位素，這些同位素的存在在譜圖中會呈現同位素離子團簇(Isotopic Ion Cluster)

質譜圖中所觀測到的質量並非由平均原子量(各同位素含量的加權平均值)所計算的平均質量(Average Mass)。

由於C原子的質量被定義為整數12.0000 amu，而其他原子的質量都是非整數，所以絕大多數分子的質量都是非整數。例如，16O、14N的精確質量(Exact Mass)分別為15.99491 amu和14.00307 amu，例如[C28H14Br4Cl4N]+的質量應為819.6614 amu，但是受儀器質量解析度及質量準確度(Mass Accuracy)的影響，譜圖呈現的質量信息會有差異，低分辨質譜儀的質量解析度與精密度(Precision)不足以提供非整數的精確質量信息，所以通常觀測到的質量為整數質量(Nominal Mass)，其給出的非整數質量意義並不大。如若質量解析度得以提高，則所觀測到的離子峰可提供非整數的質量信息，也說是我們所說的高分辨質譜(High Resolution Mass spectrometry)，高分辨所提供的元素組成信息對於未知化合物的鑑定具有十分重要的意義。

前面的EI譜圖中可以觀測到m/z 522和m/z 523兩個離子峰，其中m/z 522是一個單一同位素峰，而m/z 523則不是一個單一同位素峰。所謂單一同位素質量(Monoisotopic Mass)是指當組成一個分子的原子都是自然界中含量最高的同位素時，其所擁有的質量。對於有機小分子而言，通常質譜圖中所顯示的最強離子峰都是單一同位素質量(含多個Br、Cl原子的化合物除外)，但是當分子質量越來越高，所有元素只含有一種同位素的概率會下降(例如某分子含有1000個C原子，而這1000個C均為12C的概率極小，而含有999個12C，1個13C的概率很大)，因而單一同位素質量信號的相對強度會隨著分子量增高而下降，甚至可能在譜圖中無法觀察到。

多電荷的判斷

以同位素的存在而言，單一價態的同位素含量與分布最小差值應為1Da，如在譜圖中有觀察到在相差1Da的區間內含有其他信號峰的現象，則可判斷該信號峰為多價態，例如相差0.50則可判斷其價態為2，差值為0.33可判斷其價態為3，差值為0.25可判斷其價態為4。

分子式的確定

在目標化合物的分子式的計算過程中，以下兩個數據最為關鍵：單純使用準確分子量(誤差<5ppm)，往往會得到數十個(甚至更多)的分子式，當目標化合物的分子量越大，這一效果越顯著，如果結合同位素分布判定，可以將被選範圍縮小到1-2個，從而大大減小後續工作量。例如，某化合物質量測定值為1129.2668，誤差±3 ppm匹配出分子組成有756個，誤差±1 ppm匹配出分子組成有258個，所以還是難以確定其元素組成？而通過結合同位素分布可給出1個匹配的分子式。