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moea_joint_essay 110年 [化學] 分析化學、儀器分析

第 一 題

📖 題組:
【圖 2】為 2 個有機化合物 A、B 的質譜圖,已知各為 2-Hexanone 或 4-methyl-2-pentanone 其中之一,請回答以下問題:(共 3 題,共 22 分)
📝 此題為申論題,共 3 小題

小題 (一)

請說明化合物 A、B 各為何物?(2 分)
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從結構來看,2-Hexanone 是直鏈酮 (CH3-CO-CH2-CH2-CH2-CH3),可以斷裂失去乙基基團得到 m/z=71;而 4-methyl-2-pentanone 是異構酮 (CH3-CO-CH2-CH(CH3)2),尾端是異丙基,無直鏈乙基,故難以產生 m/z=71。圖A有 m/z=71 峰,圖B無,因此 A 為 2-Hexanone,B 為 4-methyl-2-pentanone。

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化合物 A 為 2-Hexanone。 化合物 B 為 4-methyl-2-pentanone

小題 (二)

請說明化合物 A 為何有 m/z = 71 之分子離子,而化合物 B 沒有?(5 分)
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說明兩個結構斷裂的差異。m/z=71對應於分子量100減去29(乙基自由基)。2-Hexanone 含有正丁基鏈,斷裂末端乙基可形成穩定的碎片離子;而 4-methyl-2-pentanone 有異丙基,無法直接斷裂出質量為29的乙基基團。

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兩種化合物的分子量皆為 100。m/z = 71 的碎片離子對應於分子離子 [M]⁺ 失去了質量為 29 的中性自由基,即乙基自由基 (·CH₂CH₃)。

  • 化合物 A (2-Hexanone) 的結構為 CH₃-CO-CH₂-CH₂-CH₂-CH₃,具有直鏈的丁基基團。在電子撞擊下,烷基鏈可能發生斷裂,脫去末端的乙基自由基,形成 m/z = 71 的碎片離子 [CH₃-CO-CH₂-CH₂]⁺。
  • 化合物 B (4-methyl-2-pentanone) 的結構為 CH₃-CO-CH₂-CH(CH₃)₂,其尾端為異丙基。結構中不存在連續直鏈的乙基,無法直接脫去一個完整的乙基自由基,因此不會產生 m/z = 71 的明顯碎片峰。

小題 (三)

請說明以下(1)至(5)於質譜圖中各為何種分子離子?(15 分)
(1) m/z = 85
(2) m/z = 58
(3) m/z = 43
(4) m/z = 29
(5) m/z = 15
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針對甲基酮類化合物進行質譜斷裂解析:(1) m/z=85 是脫去甲基(M-15);(2) m/z=58 是具代表性的 McLafferty rearrange 產生的烯醇離子;(3) m/z=43 通常是醯基陽離子(Acylium ion) [CH3CO]+;(4) m/z=29 是乙基陽離子 [C2H5]+ 或 [HCO]+;(5) m/z=15 則是甲基陽離子 [CH3]+。

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對於上述兩種同分異構的酮類 (MW = 100),各 m/z 特徵離子結構如下: (1) m/z = 85:為分子離子斷裂發生 $\alpha$-cleavage 脫去一個甲基自由基 (·CH₃, M-15) 後所形成的碎片離子 $[C_5H_9O]^+$。 (2) m/z = 58:為酮類發生麥克拉法第重排 (McLafferty rearrangement) 後生成的烯醇正離子自由基 $[CH_2=C(OH)CH_3]^{\bullet+}$

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