裂解反應與質譜解讀

第一章 導 言

第二章 離子裂解的原理

2-1 分子的離子化
2-2 分子離子的電荷應該在哪
2-3 離子化法
2-4 分子離子與其子離子之裂解
2-4-1離子如何裂解──裂解的誘因與其所導致的裂解反應
2-4-2奇數電子陽離子與偶數電子陽離子的命運（裂解途徑）
2-4-3質譜中陽離子的質量（質荷比）與其奇、偶數電子的關係
2-4-4從何處裂解──何處的化學鍵容易發生斷裂
2-4-4-1 　-cleavage
2-4-4-2 C-X cleavage
2-4-4-3 　-cleavage
2-4-4-4 　-cleavage
2-4-4-5 　-cleavage and 　-cleavage
2-5 重排
2-5-1脫去中性分子HX的重排反應
2-5-2四員環狀過渡態的重排反應
2-5-2-1 α-cleavage之後在第二次α-cleavage時發生重排
2-5-2-2 C-X cleavage
2-5-2-3缺γ-H的acetates改以四員環狀過渡態脫去ketene
2-5-2-4 phenolic H轉移
2-5-2-5烯類化合物的雙鍵移動
2-5-2-6烷類化合物裂解過程的重排
2-5-3六員環狀過渡態的重排反應或γ-H重排
2-5-3-1 McLafferty rearrangement (參閱前述)
2-5-3-2 benzylic cleavage
2-5-3-3 ortho effect
2-5-3-4 after a ring-bond cleavage
2-5-4雙重排反應（double rearrangement）
2-6 離子對裂解路徑的選擇
2-6-1決定電荷留在哪一碎片的規則
2-6-1-1 Stevenson’s rule
2-6-1-2 Field’s rule 2-6-2官能基對離子安定性的影響
2-6-3化學鍵的斷裂何者優先
2-6-4各種裂解反應的反應能力
2-6-4-1 α-cleavage, C-X cleavage and rearrangement
2-6-4-2 Allylic cleavage and McLafferty rearrangement
2-6-4-3 Benzylic cleavage, α-cleavage and rearrangement
2-6-4-4 Double rearrangement and McLafferty rearrangement
2-6-4-5 retro-Diels-Alder cleavage
2-6-4-6 α, β　 and γ-cleavages of aliphatic carbonyl compounds

第三章 質譜的解讀

3-1 確認分子離子峰
3-2 同位素峰
3-3 Hydrogen Deficiency Index
3-4 確認基峰及特性離子峰，由質荷比差尋找有親子關係的離子峰，確定裂解途徑，嘗試尋找可能的化學結構
3-5 以介穩離子幫助確認離子的親子關係
3-6 以其他光譜、類似化合物的光譜及裂解反應確定化學結構
3-7 以串聯質譜分析法確認裂解產物的親子關係
3-8 讀譜時應注意的事項

第四章 讀譜實例

methyl salicylate、phenylacetone、diethyl phthalate、benzocaine、1-(2-aminoethyl)pyrrolidine、ethylpiperidines、tetrahydropyran、lupinidine、ajmaline、nerolidol、cholestanes等十餘例。

　　自1934年R. Conrad首度用於有機化學以來，EIMS即被廣泛應用於小分子有機化合物的定性或結構鑑定。因為受到重視，解讀質譜的相關研究不但積極而且深入，很多裂解反應的機轉因而得以解明。雖然如此，質譜分析在結構鑑定的應用上，不論學習或教學，都還很難得到理想的效果。具體而言，學生雖然上課學習，卻無法掌握課程內容，仍然無力解讀質譜，也無法書寫裂解反應方程式，但對結構鑑定的正確性而言，有完整且正確的反應方程式，解讀才有可信賴的支撐。換言之，無法依質譜寫成裂解方程式就會影響解讀化學結構的可信度。如今學習與教學之所以無法達到預期的成效，一方面由於核磁共振光譜分析的結構鑑定能力強，足以應付需求，而降低學習質譜分析的意願；另一方面也可能因質譜分析教科書的陳述或上課的講解，或因只做單一裂解的機轉解釋，或缺乏系統性整合且太過於瑣碎，學生因而難以掌握離子裂解的原理。有鑑於後者，筆者以離子裂解的原理做為闡述的目標，把離子的裂解歸納成為何裂解、如何裂解、何處裂解等幾個問題，並陳述他們與結構的關係。因為這樣的需求，筆者引用homolytic cleavage與heterolytic cleavage的裂解機轉，從離子的裂解機制開始，進一步解釋電荷與自由基如何移位，再延伸到離子應該在何處裂解，讓思維系統化，不但容易理解也容易記憶，更重要的是藉此讓裂解與化學結構緊密連結在一起。所以，本書特別強調自由基以及電荷的所在位置，與結構上非鍵結電子或　電子之所在位置有關，連帶也與斷裂的位置及裂解模式有關。這些都在第二章中論述，與其相輝映的實例，也在第四章的實例中提出裂解說明。 為配合整體論述，筆者大膽排除大師們對　-cleavage所下的定義，特意把　、　、　、　、　、　等幾個希臘字母，單純用於表示斷鍵的位置，與homolytic cleavage清楚切割開來；筆者也不使用inductive cleavage，而直接使用電荷誘導斷裂來解釋。另外一個不同的解釋是，本書把C-X cleavage與　-cleavage區隔，定位兩者是不同的裂解反應。還有，碳碳　鍵的斷裂，筆者不採用hemi-heterolytic cleavage的說法，而改用quasi-homolytic cleavage，理由是其斷裂僅由一個電子的移動即可完成，也不一定需要電荷轉移，如此也可用以凸顯其與C-X的斷裂機制相近。於是筆者從「分子離子的電荷應該在哪」的問題開始，把鍵斷裂的決定權交給化學結構，接續展開為何裂解、如何裂解、何處裂解的陳述，最後再補以「離子對裂解路徑的選擇」做結束，完成離子裂解原理的完整論述。所以，本書不只指出在哪裡斷裂，還進一步指出母離子何以選擇某些它所「指定」的裂解途徑。另外，因為重排裂解的特殊性，以單獨的一節來說明其反應的機轉與特性，希望讓學習者能整體看待重排裂解。總而言之，本書使用原已存於各先進書中的術語與理論，只做不同的論述而已。

　　最後兩章是為了讓學生體會如何解讀質譜而作。惟必須敘明的是，在本書中裂解方程式的流水號碼上有*號者，是筆者依本書所述裂解原理所提議，且似乎可信的推薦程式，這些反應並未經過實驗的確認。雖然如此，筆者認為以這些裂解方程式模擬分子離子的裂解應用於結構分析應該還是可行，而且也可提供為研究裂解反應機轉的建議。因為要告知裂解反應的過程，這些反應方程式都以按步（stepwise）裂解來表達。另外，也要請讀者包涵的是，本書未全部中文化而是中英文混用，理由是想建立容易使用的英文索引，同時也為配合圖表、裂解反應方程式與本文整體的連貫使用。還有，因為本書鎖定於「裂解反應與質譜解讀」，其他書籍已有的資料，本書不再贅述或羅列，請讀者見諒。本書的質譜雖然是選自日本產業技術總合研究所（National Institute of Advanced Industrial Science and Technology）的SDBSWeb (http://riodb01.ibase.aist.go.jp/sdbs/)或NIST Chemistry WebBook（http://webbook.nist.gov/chemistry），但為統一全書質譜的外觀，全部是臨摹質譜。另外，因為第四章的裂解反應一個比一個複雜，為讓讀者容易辨識及讀取，從此章開始，各分子離子的結構均以粗線條畫製，而且從lupinidine開始，也將安定性足以代表離子峰的質荷比改以粗體字表示，以改善閱讀效率。最後也建議學習書寫裂解反應方程式之學習者，除完整讀完本書外，也應熟記2-4-1節所述之裂解機轉，同時也建議學習者將第四章中各例從頭自己裂解一遍。

　　每當想到化學鍵如何斷裂時，筆者的腦海裡總是浮現著電子，在離子結構的原子或化學鍵間，不停的移動的情形，有點像團體遊戲玩「大風吹」的情景，化學鍵的斷裂就在電子被抽空的剎那間發生，所以在哪裡斷裂都有可能，只是機率大小不同而已。但機率較大的斷鍵應該會有原因，不會無緣無故說斷就斷。所以，筆者雖然也認為分子離子的裂解是相當複雜的，尤其發生隨機重排時，要解釋全部的裂解反應是困難的，但筆者認為在未能獲得實驗證實之前，在可理解且似乎可信的範圍，做合乎重要離子身分且能與化學結構相關的（或方程式的）模擬裂解，應該是可以做得到的。本著此種想法，選取最主要的裂解機制，歸納出電荷與自由基的移動原則，整理成可資利用的、有系統的、可理解的概念完成本書。在寫作上，本書雖然是筆者所授儀器分析與藥物分析等課程內容的一小部分所發展出來，曾經有過多年的使用、整併、刪減與修改，但恐怕筆者力有未逮，或有不成熟之處，尚祈先進不吝指教，又匆忙付梓或有疏失，也一併敬請指正（賜教信箱：[email protected]）。