三.质谱 Mass Spectrometry Mass Spectrum Analytical method to measure the atomic weight of samples 警 Mass Spectrometry Mass Spectroscopy Although the mass speetrograph dates to(Astom) Mass spectrometry (MS)has become an indispensable tool to the modern natura product initially used to ular weights and its by providing investigat with 1989 the advances in m plication and structure elucidation. rapid and staggering' Aosu Rip Preg Choa.SNtR34国i5 质谱发展史 质谱仪框图 1898W,Wa 发现带正电荷的高子束在醴场中发生偏转。 进样系铁Sample Inlet 191l11e 头 采用电子表击技术使分子高子化 1919 F.W. 如速区】 质量分折0 n separation 石泊精和胶工业。 Output 地解决了易分辉的化合物的质谱测定 (检制Detector
1 1 三.质 谱 Mass Spectrum 2 Mass Spectrometry • Analytical method to measure the molecular or atomic weight of samples 3 Although the mass spectrograph dates to 1919 (Aston), mass spectrometry was first applied to organic chemistry in the 1950s by Djerassi, Biemann and others. It was initially used to determine molecular weights, and its application to natural and synthetic products was very successful. From the late 1970s a variety of techniques appeared for involatile or thermally labile products such as chemical ionisation and fast atom bombardment. By 1989 the advances in mass spectrometry were described as ‘rapid and staggering’ . Mass Spectrometry Annu. Rep. Prog. Chem., Sect. B, 2004, 100, 3–31. 4 Mass spectrometry (MS) has become an indispensable tool to the modern natural product scientist by providing investigators with molecular formulas, isotopic profiles and fragmentation data that are especially useful for dereplication and structure elucidation. Mass Spectroscopy Mass Spectroscopy 5 1898 W. Wien 发现带正电荷的离子束在磁场中发生偏转。 1911 J. J. Thomson 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。 1918 A. 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。 质 谱 发 展 史 80年代 快原子轰击电离(FAB-MS, 1981)应用，较好 地解决了易分解的化合物的质谱测定 6 计算机数据 处理系统 真空系统 加速区 进样系统 离子源 质量分析器 检测器 质谱仪框图 Ionisation source Ion separation Detector Output Sample Inlet
Mass Spectrometer Principles How does a mass spectrometer work? Create ions Sample MALDI-OSTOF 质谱的表示方法 质谱 子坐标果正有子的质有比，版生标示客有 Mass Spectroscopy ◆确定分子量MW(Low Resolution) ◆确定分子式MF(High Resolution) e。将其它离子峰的 ·了解分子内原子连接的详细情况 额坐标，即可出条围。 Weighing Proteins Mass Spectroscopy Mass spectrometers are very useful tools for dentifying molecules because they determine the m Common way is to add or take away an ions Naa+e→NaCr olecular weight that could be easily plac in th NaCl NaC++e
2 7 Mass Spectrometer Principles Ionizer Sample + _ Mass Analyzer Detector 8 How does a mass spectrometer work? • Ionization method – MALDI – Electrospray (Proteins must be charged and dry) • Mass analyzer – MALDI-TOF • MW – Triple Quadrapole • AA seq – MALDI-QqTOF • AA seq and MW – QqTOF • AA seq and protein modif. Create ions Separate ions Detect ions • Mass spectrum • Database analysis 9 质谱的表示方法 质谱图中横坐标表示正离子的质荷比，纵坐标表示各离 子峰的强度。 在应用时，一般都将图简化成条图形式。简化的方法 是：首先选择一个强度最大的离子峰，把它的强度作为 100％，并把这个峰称为基峰(base peak)。将其它离子峰的 强度与基峰作比较，求出它们的相对强度，称为相对丰度 （relative abundance). 用m/z作为横坐标，相对丰度作为 纵坐标，即可绘出条图。 10 质 谱 Mass Spectroscopy Mass Spectroscopy u 确定分子量 MW (Low Resolution) u 确定分子式 MF (High Resolution) u 了解分子内原子连接的详细情况 Unsaturation Number (UN) Hydrogen Deficiency Index (HDI) 11 Weighing Proteins Weighing Proteins A mass spectrometer creates charged particles (ions) from molecules. Common way is to add or take away an ions: NaCl + e- ® NaClNaCl ® NaCl+ + eIt then analyzes those ions to provide information about the molecular weight of the compound and its chemical structure. 12 • Mass spectrometers are very useful tools for identifying molecules because they determine the masses of molecules and the masses of fragments of molecules. Fifteen years ago these measurements were limited to compounds of low molecular weight that could be easily placed in the gas phase. Since then, two new techniques have been developed that allow mass spectrometry to analyze larger, non-volatile molecules such as peptides and proteins. Half of the 2002 Nobel Prize in Chemistry was awarded for using these techniques with proteins. Mass Spectroscopy Mass Spectroscopy 田中耕一
Organic Mass Spectroscopy 优点： 上分析范广（气体、液体、圆体） 总假 测定分子量，确定分子式 3.分析速度快，灵敏度高 4.各种联用技术(GC-MS,LC-MS,HPLC-MS 5.新的电离、检测技术(EL,FAB,FD) 特点： Mass Spectrometer ◆质道不道范围 ◆质请与电雕波的波长和分子内莱种物理量的改变无关。 ◆质是唯一可以给出分子 子式的 任带对代会染种是年粉十。 绣酵终染捷病外售校贵。工作环生兵来收高。 心质谦破坏样品。 Mass Spectrometer LC/LC-MS/MS-Tandem LC,Tandem MS
3 13 14 优点： 1. 分析范围广（气体、液体、固体） 2. 测定分子量，确定分子式 3. 分析速度快，灵敏度高 4. 各种联用技术 (GC-MS, LC-MS, HPLC-MS) 5. 新的电离、检测技术 (EI, FAB, FD) Organic Mass Spectroscopy 15 ◆质谱不属波谱范围。 ◆质谱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丰度的谱, 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。特 别是对于判断是否含有杂原子，判断化合物环的个数。 特点： ◆质谱仪器较为精密，价格较贵，工作环境要求较高， 给普及带来一定的限制 。 ◆分析范围宽，可对气体、液体、固体等进行分析。 ◆质谱破坏样品。 16 Mass Spectrometer 17 Mass Spectrometer 18 LC/LC-MS/MS-Tandem LC, Tandem MS
Typical Mass Spectrometer Typical Mass Spectrum Characterized by sharp,narrow peaks tlccetaiaotorhiara rhrhenoaodart Typical Mass Spectrum 有机质谱中的各种离子 1}分军意军(Malecular ion》 样品分子失去一个电子面电高所产生的离子，记为 准分子离子常由软电离FABS产生，一为M+r M-H,M+Na',M+NH,',M+K',M+Cu'. 3)碎片高子(Fragment ion) 120 m/z-or singly charged ion this is the mass 有机质谱中的各种离子 FAB-MS 干生 任何一离子进一步产生某高子，前者称为母高子 后者称为子离子， Ouasi-molecula 6)亚稳离子(Mete,stable ion) 是从离子源出口到检测县之间产生的离于
4 19 Typical Mass Spectrometer 20 Typical Mass Spectrum u Characterized by sharp, narrow peaks u X-axis position indicates the m/z ratio of a given ion (for singly charged ions this corresponds to the mass of the ion) u Height of peak indicates the relative abundance of a given ion (not reliable for quantitation) u Peak intensity indicates the ion’s ability to desorb or “fly” (some fly better than others) 21 Typical Mass Spectrum aspirin Relative Abundance 120 m/z-for singly charged ion this is the mass 22 有机质谱中的各种离子 1）分子离子 （Molecular ion） 样品分子失去一个电子而电离所产生的离子，记为 M+。 2）准分子离子（Quasi-molecular ion） 准分子离子常由软电离(FAB-MS)产生，一般为 M+H+、 M-H+, M+Na+, M+NH3 +, M+K+, M+Cu+ 。 3）碎片离子（Fragment ion） 泛指由分子离子破裂而产生的一切离子。狭义的碎片离子指由简单断裂 产生的离子。 23 O OAc AcO H OAc OAc OAc AcO O OAc 1 3 5 11 9 7 13 15 17 18 19 20 2' 3' C43H52O16 Exact Mass: 824.33 M+ [M+Na] + [M+K] + FAB-MS m/z = 189 Quasi-molecular Ion 24 有机质谱中的各种离子 4）重排离子（Rearrangement ion） 经重排反应产生的离子，其结构不是原分子结构单 元。 5）母离子（Parent ion）与子离子（Daughter ion） 任何一离子进一步产生某离子，前者称为母离子 后者称为子离子。 6）亚稳离子（Meta-stable ion） 是从离子源出口到检测器之间产生的离子
有机质谱中的各种离子 有机质谱中的同位素离子峰 分子高子一指由天然丰度最高的的用位素维合的 离子。相应地由相同元素的其他司位素组成的离子称为同 的离子称为情电子离子. 位素高子，在质谱图中称为同位素峰。 8)多电荷离子(dip-charged ion)) 同位素峰相对于分子高子峰的丰度取决于分子中所含 失排两个以上电子的离子称为多电葡离子。 具有丰度较高 素在分子中的存在与数 的确定比较方便，如氯、澳停。 氯、溴元素的识别和数量的确定 重要的重排开裂 0自然度为757乙31 重排开裂是两个化学健发生断裂，脱去一个 ”0自然丰度为24.23% 中性小分子并同时发生置捧的开裂。由于脱去的 是中性分子（含偶数电子），所以，经重排开裂 含1个C原子时，应出现M:(+2)-31二个峰 生成的子离子与母高子在带电子的奇偶性和质量 含2个C1原子时，应出宪：M+2:1+4)1:0.6:0, 的奇偶性上成一致的关系。 三个峰 麦氏重排(MeLafferty Rearrangement) 一1 电黄保面 电街转移
5 25 有机质谱中的各种离子 7）奇电子与偶电子离子（Odd- and even-electron ion）具 有未配对电子的离子称为奇电子离子，不具有未配对电子 的离子称为偶电子离子。 8）多电荷离子（Multiply-charged ion） 失掉两个以上电子的离子称为多电荷离子。 9）同位素离子（Isotopic ion） 当元素具有非单一的同位素组成时，产生同位素离子。 26 分子离子一般指由天然丰度最高的的同位素组合的 离子。相应地由相同元素的其他同位素组成的离子称为同 位素离子，在质谱图中称为同位素峰。 同位素峰相对于分子离子峰的丰度取决于分子中所含 某种同位素的数目及其天然丰度。 具有丰度较高的同位素的元素在分子中的存在与数量 的确定比较方便，如氯、溴等。 有机质谱中的同位素离子峰 27 氯、溴元素的识别和数量的确定 35Cl 自然丰度为75.77% 37Cl 自然丰度为24.23% 79Br 自然丰度为50.54% 81Br 自然丰度为49.46% 含1个Cl 原子时，应出现 M:(M＋2) = 3:1 二个峰 含2个Cl原子时，应出现 M:(M＋2) :(M＋4) 1:0.6:0.1 三个峰 + . 3:1 1:1 28 重要的重排开裂 重排开裂是两个化学键发生断裂，脱去一个 中性小分子并同时发生重排的开裂。由于脱去的 是中性分子（含偶数电子），所以，经重排开裂 生成的子离子与母离子在带电子的奇偶性和质量 的奇偶性上成一致的关系。 29 麦氏重排（McLafferty Rearrangement) McLafferty Rearrangement) 结构中有双键，且在g位上有H原子的正离子都能发 生麦氏重排。在开裂中， g位上的H通过六元环的迁移转 移到电离的双键碳或杂原子上，同时烯丙键断裂，生成 中性分子和碎片离子。麦氏重排的规律性很强，故对解 析质谱很有帮助。 30 麦氏重排（Mclafferty rearrangement） 重排裂解（ Rearrangement cleavage） CH CH CH C Z R1 R2 R3 R4 CH CH R3 R4 HC C ZH R1 R2 CH CH CH C Z R1 R2 R3 R4 CH CH R3 R4 HC C ZH R1 R2 CH CH CH C Z H R1 R2 R3 R4 H H α i 电荷保留 电荷转移
麦氏重排条件： ·含有不饱和基团，如C-0、C=N、C-S及碳碳双使 ·与双健相连的随上有r碳，并在y碳有日原子（氢） “大元环过度，H,转移到杂原子上，同时B,发生断 表，生成一个中性分子和一个自由荟阳高子 w/ 秋尔新一尔德开裂，离素D心 有些邻位二取代的芳香化合物也会发生类似于 RDA的量排开裂。 ””w 文， Triterpenoids The disco wvery of the Diels-Alder reaction in 192.a on for which the sakes would reive the Nobe m456 mk24800% Diels the professor,Alder th 6
6 31 32 麦氏重排条件： •含有不饱和基团，如C=O、C=N、C=S及碳碳双键 •与双键相连的链上有g碳，并在g 碳有H原子（g氢） •六元环过度，H g 转移到杂原子上，同时b 键发生断 裂，生成一个中性分子和一个自由基阳离子 33 逆狄尔斯一阿尔德开裂 (Retro Diels (Retro Diels-Alder Fragmentation，简称RDA） RDA H2C CH2 RDA 34 有些邻位二取代的芳香化合物也会发生类似于 RDA的重排开裂。 35 The discovery of the Diels-Alder reaction in 1928, a reaction for which the namesakes would receive the Nobel Prize in Chemistry in 1950: Diels the professor, Alder the student. Diels, O.; Alder, K. Justus Liebigs Ann. Chem. 1928, 460, 98. 36 m/e 456 m/e 208 (10%) m/e 248 (100%) · + 和 / 或 RDA COOH HO COOH HO Triterpenoids Triterpenoids
Flavonoids 分子量、分子式的确定 Molecular ion----the m value of the molesular ion 1度0 gives the molecular weight of the compound m/e 120 M+1 peak or M+2 peak-often occurs because are naturally isotopes of cabon,or othe atoms High-Resolution Mass Spectrometry can determine the exact molecular mass of a HR-FAB-MS fragment with a precision of0001 amu. .eg.Some compounds with a nominal molecula mass of 122 amu and their exact molecular masses =18 益r容/，壳5ca18962 C9HI4 C7HION2 CSHI0O C7H602 C4H1004 C4HI0SZ 122109612.0845122.073212.036812.057912.025 m=824 Rmk-=189 YO. >
7 37 O O RDA C O O + / 或 + · m/e 120 m/e 104 Flavonoids Flavonoids 38 分子量、分子式的确定 • Molecular ion ---- the m/z value of the molecular ion gives the molecular weight of the compound • Base peak ---- is the one with the greatest intensity. ( it is assigned a relative intensity of 100% ) • M+1 peak or M+2 peak ---- often occurs because there are naturally isotopes of carbon, or other atoms 39 • High-Resolution Mass Spectrometry HR-MS can determine the exact molecular mass of a fragment with a precision of 0.0001 amu. • e. g. Some compounds with a nominal molecular mass of 122 amu and their exact molecular masses C9H14 C7H10N2 C8H10O C7H6O2 C4H10O4 C4H10S2 122.1096 122.0845 122.0732 122.0368 122.0579 122.0225 40 O OAc AcO H OAc OAc OAc AcO O OAc O OAc m/z = 824 m/z = 189 HR-FAB-MS U = C + 1 2 H N U = 18 Cal. 847.3153 Cal. 189.0552 41 LOLITA, QS-1162-2(695),HCCinn 24-Apr-2003 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000 0 m/z 100 % m938 1 (3.008) AM (Cen,5, 80.00, Ht,14000.0,0.00,2.00); Sb (1,80.00 ); Sm (SG, 2x3.00) 1: TOF MS LD+ 696.3748 x10 749 134.0985 127.1512 79.0629 636.3531 263.1783 261.1297 172.0396 194.1174 281.1890 594.3425 305.1557 441.0148 321.1306 323.2004 419.3154 379.0934 516.3113 443.0145 465.2244 576.3318 637.3569 718.3547 734.3304 735.3339 861.0693877.0446 736.3329 737.3308 841.4354 878.3107 923.3710 925.3757 Claculated values for C39H53NO10 +H 696.3747 C39H53NO10Na 718.3567 C39H53NO10K 734.3307 N O NH HO C11H16NO2 + Calculated Mass: 194,1181 C9H12N+ Calculated Mass: 134,0970