质谱(MS)法是鉴定有机物结构的重要方法,其灵敏度之高,远远超过NMR和IR。MS可以测定分子量、分子式,EIMS中的裂解碎片离子峰在不少情况下对推断化合物的分子骨架很有用。有些类型的化合物可用MS确定分子结构片段连接顺序。
近十多年来,MS与其它仪器的联机以及电离方法的革新给MS增加了更大活力,应用范围进一步扩大。天然产物结构测定中常用的MS方法按电离方式有以下几种:
(一) 电子轰击质谱(EIMS) 和高分辨电子轰击质谱(HREIMS)
电子轰击质谱(EIMS) 和高分辨电子轰击质谱(HREIMS)是天然化合物结构测定中应用最多的MS方法,可以用其测定分子量、分子式、碎片离子的元素组成和分子的裂解方式。但 EIMS也有一些不尽人意的地方,对于热不稳定的化合物,极性大的化合物以及分子量较大的化合物往往得不到分子离子峰,或分子离子峰很弱以至于难以断定。弥补这种缺憾的方法是采用下面介绍的软电离源MS。
(二)快速原子轰击(FAB)谱 和高分辨快速原子轰击(HRFAB)谱
快速原子轰击(FAB)谱 和高分辨快速原子轰击(HRFAB)谱适用于挥发度极低、强极性有机化合物;热不稳定的有机物,分子量较大的极性化合物,如氨基酸、多肽、糖类、糖苷等。
(三)场解吸(FD)谱中通常主要为M和/或MH峰
这个方法一般用于分子量较小而极性很强的分子。
(四)化学电离(CI)
化学电离与电子轰击源相同之处都是热源,所以容易挥发、受热不易分解的样品才适合用CI源测定,在EIMS观察不到分子离子峰时,用CI源常常可以得到分子量信息。例如长链脂肪醇、氨基醇、缩酮类等。EI谱和CI谱互补分析可以得到更充分的结构信息。
(五)电喷雾电离(ESI)
电喷雾电离(ESI)用于多肽、蛋白质、糖蛋白、核酸等。ESIMS用于蛋白质一极结构的分析已比较成熟,用其研究生物分子具有重要的作用。
(六)大气压化学电离(APCI)
大气压化学电离(APCI)适用于分的定性和定量分析,药代动力学研究等。
(七)基质辅助激光解吸电离(MALDI)
基质辅助激光解吸电离(MALDI)用于多肽、蛋白质、糖蛋白、DNA片段、多糖等。
在多种电离源获得的MS中,以EIMS提供的结构信息最多。如果我们想用最少的样品获得最多的结构信息的话,当首推EIMS。在大多数情况下由EIMS不仅可以得到分子量、分子式,还可以得到丰富的裂解碎片信息,这些碎片离子的元素组成亦可由HREIMS测得。如果所测样品的分子骨架比较稳定并且有明确的裂解规律的话,由EIMS推断分子结构往往是很奏效的。
例如齐墩果酸(oleanolic acid),由于其分子中存在C12-C13双键,在EIMS中,其优势裂解方式是RDA裂解。RDA裂解产生两个关键的碎片离子,一个是以A、B环为骨架的碎片离子m/z208,另一个是以D、E环为骨架的碎片离子m/z248(基峰或强峰),这两个离子可称为互补离子,二者之和即为分子量。
当该化合物的A环和/或D、E环上有取代基时,上述两种离子的质量数会根据取代基的质量数发生有规律的变化。这就是说,如果D环或E环上连有一个羟基,那么相应于m/z248的离子就是m/z264。这对于推断齐墩果酸类三萜骨架取代基的位置很有用。当然,乌苏酸(ursolic acid)是齐墩果酸的同分异构体,都含C12―C13双键,二者的EIMS几乎完全一致。这时13CNMR可以方便地将二者区分。
黄酮、蒽醌、香豆素、甾体化合物等都有明确的裂解规律可循,《中药化学》中已有介绍,读者还可以参阅相关的专著。
值得强调的是,单萜、倍半萜和二萜类化合物由于分子结构中大多缺乏定向裂解基团,故在电子撞击(EIMS)下会发生多化学键裂解,再加上屡屡发生的重排和氢转移,致使很难判断碎片离子的来源和结构。特别是氧化倍半萜类和二萜类化合物,对于这类化合物EIMS谱通常的作用只是得到分子量和分子式。笔者曾测定过一些倍半萜和二萜的结构,尽管采用HRMS将分子离子和主要的碎片离子都测定了精确质量和元素组成,仍难以推断分子骨架。在将这些二萜的结构包括立体化确定之后,回过头来重新解释其EIMS数据,还是难以找出明确的裂解规律。而采用多种NMR技术不但可以测定这些二萜的分子骨架,更重要的是可以确切地测定取代基的位置和立体化学。值得强调的是,MS的真正威力是测定分子量和分子式。一般来说在结构测定中,NMR更为重要。除了对那些已知质量单位构成的分子(如多糖,多肽,蛋白质,DNA等)以外,MS一般只能起证实作用。
(八)
气相色谱-质谱联用(GC/MS)
气相色谱-质谱联用(GC/MS已成为鉴定天然有机混合物中各组分结构的有力手段之一,几乎所有用GC可分离的组分都可以使用GC-MS法得到效果比较满意的图谱,哪怕含量只有纳克级。用GC-MS鉴定天然化合物通常是使用计算机数据库进行的,市售的GC-MS仪器都配有联机数据库检索系统,数据库中一般有几万至十几万张图谱,其中包括相当数量的天然化合物。尽管不同数据库的检索方法不同,但其基本思想都是将未知图谱与谱库中标准图谱进行比较,相似度越高可信度越高,这种比较是建立在主要碎片离子质量和相对丰度的基础上的,更重要的是所要鉴定的化合物必需是谱库中已经有的化合物。事实上一些分子量不同的化合物会产生极为相似的MS图谱,换句话说,一些不同的化合物其MS图中的主要碎片质量一致,而丰度也相似,这就使结构鉴定陷入僵局,其结果的可信度就是一个很值得注意的问题。
作者在为天然物研究者解析MS图谱时还发现不少通过GC-MS测定的单萜和倍半萜图谱在MS数据库中检索不到,其实这也是正常情况,因为图谱库中化合物的数量是有限的,这时就需要人工解析。
(九)
液相色谱-质谱联用(LC-MS,HPLC-MS)
液相色谱-质谱联用(LC-MS,HPLC-MS)很适合极性分子的分离和结构鉴定。它是分析分子量大、极性强的化合物不可缺少的分析仪器,已在天然物化学、植物药复方研究、生物化学、药代动力学、临床医学、环保、化工领域得到广泛的应用。
有的网友问:混合物的MS图谱怎么解析?
混合物的图谱是不好解析,给您点体会,供参考.以EIMS为例.
1.第一印象,峰很多(当然不少化合物的MS峰都很多,这有个识别经验问题).
2.首先分析分子峰区,既然是混合物的图谱,一般情况下化合物结构相似,如果结构相差甚远,即使直接进样离子流也往往分 得开.由M-15,M-18等离子判断分子峰.比如beta-sitosterol类甾醇类由于同系物之间差一分子H,往往难以分离,EIMS中会有414和414两个分子峰.这是不难辨认的.
3.分析中质量区,如果混合物的骨架相同,其主要裂解碎片也应该相同和/或相似,相似的意思是,可能回发现有丰度相似,质量数相差2个H的峰.
4.基峰,分子峰,中质量区丰度较大的峰要给予解释,根据背景信息,试查目的化合物的MS数据,或连机检索,然后人工分析取舍.
5.参考NMR结构类型的信息,设计结构,尝试分析.
cheng3617说,请问汪老师,怎么根据NMR和NOESY确定分子的绝对构型?
测定手性化合物绝对构型的经典方法有:化学相关法,单晶X-ray衍射法,旋光谱(ORD)和圆二色谱(CD)法以及旋光比较法等。近年来,随着新的手性试剂的不断涌现和高场NMR技术的发展,NMR法在天然有机化合物绝对构型的测定中得到了广泛应用。NMR法测定化合物的绝对构型,主要基于在手性试剂与被测物反应所得产物的优势构象中,由于手性试剂中芳香环的磁各向异性,导致被测物中取代基受到的屏蔽作用不同,根据其1HNMR化学位移的差值(Δδ)即可测定被测物手性中心的绝对构型。与经典方法相比,NMR法具有适用范围广,样品用量少,衍生物制备简单,测定快速,准确等特点。NMR法测定天然化合物绝对构型的最常用的Mosher法。这方面的文献(主要是国外的)比较多.
有人试图利用IR确定未知物结构,现在谈一点个人看法.
所谓未知物应该分为两种情况,一是真正的未知物即新化合物;另一种情况是,实际上是已知化合物,由于缺乏背景资料当作未知物鉴定,鉴定的结果与某一化合物相同.后者可以通过分析,定向查找IR图谱,当样品图谱和对照图谱相同(相同条件下测定的IR)时可以认定是同一化合物,这也是IR用于鉴定结构的作用.
如果是新化合物(天然或合成),只靠IR是不行的,也不会找到其IR图谱.
实际工作中,很多老化合物也未必能找到对照IR图谱.这是受数据库的限制.
当找不到对照图谱时,经过分析,认为可能是哪种化合物,可找来对照品测定IR来对照,是一种简便的方法.
以上发言只限于单一靠IR来鉴定化合物.
待续...
汪茂田: 有机结构分析/天然物结构测定/化学品结构剖析 E-mail: mtw2002celan@yahoo.com.cn Tel: 0371-66316233