数据分析|图说有机质谱谱图解析
审核：小铅笔
如果通俗的讲，用某一游戏来描述有机质谱解析的话那就是“拼图”了，因为两者具有很多的相似性，都是变化多端且难度不一；拼图中的碎片如同质谱中的碎片离子一样都有专属的位置，放对了就慢慢丰富起来了，放错了就无法得到完整的结果；个体与个体之间或息息相关，或毫无关系；须遵循一定的规律准则且都是有律可循。by 王 毅
有机质谱谱图解析大致涉及的两种类型(正向、逆向)：
A: 通过对未知化合物所得谱图的分析，进而解析出化合物结构；
B: 通过对已知化合物所得谱图的分析，近而推测其质谱裂解途径；对一类化合物的质谱其裂解规律进行总结；探究及证明阐释可能的质谱裂解机理。
由图B到图A相对容易，这如同我们已经有了已知的参照图，只需将碎片部分拼接起来按照参照图，这相当于已知结构的化合物，通过质谱中裂解成碎片离子，然后我们再将碎片离子进行合理归属，因为前提我们知道其结构所以就相对容易了，而高分辨质谱或串联质谱所扮演的角色就是使得拼图碎片部分的纹路更加清晰有效，假设以上拼图的材质是玻璃，那么分析条件是弹弓，选择什么样材质的弹珠，如：玻璃、橡胶、钢珠，则对应的是不同的离子源，选择不同材质的弹珠，得到的结果不一样，橡皮筋拉力大小体现出的是能量，不同的力度得到的结果也不相同，弹珠落到的位点不同，结果也不尽相同；所以当使用不同的质谱分析条件时可以大致预测可能会产生何种碎片离子。
Fig. 1 EI massspectrum of an unknown hydroxybenzoic acid
而由零散的图A拼接成完整的图B的难度就会增加很多，可大致分为两种：一种是没有图案的拼接。如下图2，我们可以利用中性碎片丢失来推测出化合物的结构，由m/z 152→m/z 121表明是CH3O•的丢失，由m/z 121→m/z 93表明是CO的丢失，由m/z 93→m/z 65表明是CO的丢失，而m/z 39、m/z 53、m/z 65等碎片离子则表明分子结构中含有芳环，因此可以推测出该化合物的结构为羟基取代的苯甲酸甲酯，这样我们就根据碎片离子完成了拼图，谱图中所提供特征离子就是我们缝合的依据，每一个中性丢失可以看作是一个完整的切面，但是质谱图又不像完全的拼图，拼接起来就成了，这里面又存在或多或少的不确定，例如这一结构的羟基的取代位置还不能确定。
Fig. 2 EI massspectrum of an unknown hydroxybenzoic acid
另一类是有含有图案的拼接，前者相对简单一些，而后者则根据图案的复杂程度以及碎片的数目等两个因素变得繁杂一些，但是这些图案的信息有时可能会提供更加有利的信息来辅助我们的判断，有时需要我们掌握一定的知识储备和技能。如下图3、图4，根据中性碎片丢失我们推测其结构是羟基取代的苯甲酸甲酯，现在我们就需凭借经验技巧来进行区分了，根据“邻位效应”，利用图3中的离子m/z 120我们可以判断其是邻羟基苯甲酸，这就相当于我们充分利用了图案拼图一样。而现在只需对图2、图3进行区分，结合碎片离子的稳定性通过离子m/z121和离子m/z 93的强度比，可以判断出图2为4-羟基苯甲酸，图3为3-羟基苯甲酸。
Fig.4 EI mass spectrum of 2-hydroxybenzoic acid
以上例子相对简单，就如同碎片数目少的拼图一样，整幅图清晰明了，所以拼接起来相对容易一些。而对于稍微复杂一点的拼图，碎片较多，且颜色差异不是很显著，且碎片无序、也没有规律，拼接起来难度就大了，如下图5。
Fig. 5 EI massspectrum of an unknown
因为没有参照图，我们只能根据碎裂的纹路、色彩、走势、切面、构图、细节等进行拼接，其中可能就有诸多不确定因素在里面，因为我们不知道这幅图到底画的是什么？而如果有人看过或对这幅画比较熟悉了，那么拼起来就相对容易一些了。所以有机质谱解析也是一门艺术，这就相当于让我们通过质谱图进而推测出未知化合物的分子结构一样，可能会出现不同的部分具有接近的切面或色彩一样。
百分之八十以上的人做的是从B到A的工作，而也只有不到百分之二十的人做的是由A到B的工作。
质谱图的概貌：
看到质谱图最直观的就是它的概貌，谱图的概貌也是多样的，不同的轮廓、图样则如质谱图的概貌一样。不同的谱图概貌可以反映出化合物的一些结构特性、所含有的官能团、结构的稳定与否等相关信息。
Fig. 6 EI massspectrum of an unknown
同类化合物的质谱概貌：
一些主流拼图常采用一种被称为“全面互锁”(fully interlocking)的零片边缘样式。“全面互锁”即是将相邻的若干零片连接在一起，若水平移动其中一片，所有相连的零片都会跟着向相同方向滑动，且不会离散。如下图7。
对于有机质谱而言，具有相同分子骨架的化合物，首先，其谱图概貌高度相似或基本一致，仅表现出一些细微的差异；其次其可能具有相同的碎片离子，来自分子结构中相同的片段；再就是其有同类型的离子，由于部分取代基发生改变，这类离子的质量会发生位移。
Fig. 7 EI mass spectrum of 20-Hydroxycylindrocarine (A)and O-Acetyl-1-formylcylindrocarine (B)
仅仅是因一个取代基团发生改变，以上谱图概貌发生了显著变化。但是我们发现其质谱图中有共同的离子产生，且离子峰强度比例基本一致。此外，由于取代基团的改变，由该基团产生的相关的碎片离子发生了质量位移，其质量差值则间接的反映了取代基团的类型。假设我们已知化合物A(20-Hydroxycylindrocarine)的结构，通过谱图分析化合物B的分子骨架与A一致，利用化合物A的质谱裂解途径，就可以轻松的解析出化合物B的结构为(O-Acetyl-1-formylcylindrocarine)。
质谱中的特征离子：
质谱图中的特征离子通常能够反映化合物的分子骨架，或某一部分特定的基团，例如当我们在EI谱图中看到特征离子m/z 74、m/z 87同时出现，呈前高后低的特征，就可以判断化合物为脂肪酸甲酯。再例如，当我们在EI谱图中看到特征离子m/z 73、m/z 75同时出现，就可以判断化合物为三甲基硅醚类化合物。
拼图中不同的轮廓、棱角表现到质谱图中就是质谱图中的特征离子，例如图6(A)，三角形六十度角可以对应到乙基正离子m/z 29上。再例如图6(E)圆形的拼图可示意化合物是相对比较稳定的结构，其基峰为分子离子m/z 128。当然以上的举例可能并不是十分恰当的，只是提供给我们一种对比的思路，让我们在拿到谱图后更容易的去看懂谱图所能表达的结构特征和所提供的数据信息，我们该去抓住那一部分信息、去充分利用。
如何做到从B到A，又从A到B？
例如，对于天然产物来讲，不同类的化合物都有各自的特征离子峰。而具有相同分子骨架的化合物，通常都具有相同m/z的特征离子，而当取代基团发生改变时，通常是引起质量位移，当然这也与取代基团的类型有关，比如生成特征离子结构的部分取代基团是甲基的话，那么引起的是特征离子的质量位移，而如果是酯基可能酯基也将成为反应中心，引起的将不再只是纯粹的质量位移，还将可能引起整个谱图概貌的大幅改变。
例如下图8中的两个化合物C、D，具有相同的分子骨架，我们已知化合物C的结构，现在需根据化合物C的结构及谱图去分析未知化合物D，具体的分析思路如下。
Fig.8 EI mass spectrum ofN-Benzoylcylindrocarine (C) and1-benzoyl-20-oxo-Cylindrocarine (D)
如何从已知结构的化合物C结合谱图去解析未知化合物D?这就相当于由B到A，又由A到B的过程，首先我们分析化合物C的谱图，对其中的特征离子进行归属，分析其可能的质谱裂解途径，然后应用到未知化合物D的解析中。对于化合物C来讲，分子离子峰为m/z 460，较显著。m/z 429为分子离子脱甲氧基产生的碎片离子，脱掉的甲氧基来自酯基的α裂解，进一步通过诱导裂解脱CO得到碎片离子m/z 401，谱图中比较显著的奇电子离子峰m/z 386，表明该离子的生成产生了氢重排反应，为脂肪环上的氢重排到羰基氧原子上发生的麦克拉夫蒂重排产物离子。再脱芳环上的甲氧基生成产物离子m/z 355。
谱图上的基峰为离子m/z 168，来自脂肪环的开环裂解，初始的电离位点在氮原子上，通过连续3次的α裂解产生，而当有氢重排反应时可通过2次的α-cleavage，1次氢重排反应再经α-cleavage产生离子m/z 196。
低质量段的m/z 77、m/z 105为取代基团苯甲酰基产生的特征离子，这类离子可以直接反映出基团信息，这就如同我们所分析的拼图中的某个棱角一样。化合物C可能的质谱裂解途径如下图9。
Fig. 9 Possiblecleaving pathways of N-Benzoylcylindrocarine (C)
根据以上对已知化合物C的分析，进一步确定化合物D的结构，其实以上所分析的信息我们只需取1条（m/z 386的归属）即可实现对未知化合物D的结构解析。
相比已知化合物，未知化合物比其分子量多14Da，可以看到两个化合物中均有特征离子m/z 386，通过以上归属可以知道该离子来自于重排反应脱类乙酸甲酯产生，所以表明发生改变的部分为脱去的中性分子这一部分。假如未知化合物中没有m/z 386的特征离子或者该特征离子类型发生了改变，那么我们如何去判断发生改变的位置?这就需要借助另外的几个特征离子m/z 168、m/z 196，我们发现未知化合物D中未有这两个特征离子产生，根据相差14Da质量可以判断m/z 182与m/z 168为同一类型的离子，而m/z 210可辅助我们对离子类型进行进一步确定。
根据分子量多14Da，且可发生麦克拉夫蒂重排反应（表明羰基部分存在），可排出可能的结构为以下三种：
如果有高分辨的质谱数据我们可以判断究竟是前两个还是后一个，而如果是低分辨数据我们就需要根据质谱图作以判断。对于本例，只需一个离子即可判断未知化合物是哪一个，那就是m/z 415，初始的电离位点在羰基氧原子上时可通过α-cleavage得到（可能有人会说第二种结构也能够产生m/z 415，暂且不说第二个化合物能否发生这样的裂解），我们可以再通过另一个离子m/z 387进行间接验证，m/z 387的强度已经超过了m/z 386的13C的同位素贡献了，所以其有一部分来源于m/z 415脱CO产生，而第二个化合物假设其可以产生m/z 415，但是其不能再进一步裂解产生m/z 387，从而判断未知化合物的结构为20-oxo-N-Benzoyl cylindrocarine。
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