大学 · 15分

質量スペクトルの同位素パターンを読む

塩素・臭素化合物の M/M+2 シグナルを比較し、分子がどのハロゲンをいくつ含むかを推論する。

目的

M:M+2 比から各スペクトルのハロゲンを同定し、Cl₂ と Br₂ の同位体クラスターを予測する。

器具と試薬

CH₃Cl、CH₃Br、Cl₂、Br₂ の電子衝撃質量スペクトルデータと同位体存在比表（³⁵Cl/³⁷Cl ≈ 3:1、⁷⁹Br/⁸¹Br ≈ 1:1）。

手順

クロロメタンのスペクトルを開き、M ピークと M+2 ピークの高さを測る。
ブロモメタンでも繰り返し、M:M+2 比を比較する（Cl は約3:1、Br は約1:1）。
Cl₂ の 3 本線クラスター（70/72/74 ≈ 9:6:1）を表示前に予測し、確認する。
Br₂（158/160/162 ≈ 1:2:1）でも同様に行い、二項係数で違いを説明する。

観察すること

CH₃Cl は M:M+2 ≈ 3:1（m/z 50/52）、CH₃Br は 94/96 にほぼ同じ高さの 2 峰を示す。
ハロゲンが 2 個になるとクラスターが広がる。Cl₂ は 9:6:1、Br₂ は 1:2:1。2 組の同位体の組合せの結果である。

解説

³⁵Cl と ³⁷Cl の存在比は約 75.8 % と 24.2 % で、塩素 1 個で分子イオンが M と M+2 に約 3:1 に分かれる。⁷⁹Br/⁸¹Br ≈ 51:49 なら約 1:1。ハロゲン n 個ではピーク強度は 2 つの存在比の二項展開に従う。日常の MS 解釈でハロゲン数を数える基礎。

実験の歴史

フランシス・アストンは 1919 年に最初の質量分析器を造り、分離されたネオン同位体で原子量が整数とは限らないことを証明した。以来、同位体パターンは構造解析の手がかりである。

ゆかりの化学者

フランシス・ウィリアム・アストンジョン・フェン