1.2 研究有机化合物的一般方法 课件 2024-2025学年高二化学人教版（2019）选择性必修3

第一章 有机化合物的结构特点与研究方法 第二节 研究有机化合物的一般方法 研究有机化合物一般要经过以下几个基本步骤，每个步骤中都有一些常用的基本方法。 一、分离、提纯 从天然资源中提取有机化合物，通常得到的是含有杂质的粗品。工厂生产和实验室合成的有机化合物往往也混有未反应的原料和反应副产物等。进行有机化合物组成、结构、性质和应用的研究，首先要获得纯净的有机化合物。粗品必须经过分离、提纯才能得到较为纯净的物质。 提纯含杂质的有机化合物的基本方法是利用有机化合物与杂质物理性质的差异将它们分离。在有机化学中常用的分离和提纯方法有蒸馏、萃取和重结晶等。 1. 蒸馏 蒸馏是分离和提纯液态有机化合物的常用方法。当液态有机化合物含有少量杂质，而且该有机化合物热稳定性较高，其沸点与杂质的沸点相差较大时，可用蒸馏法提纯。例如，甲烷与氯气发生取代反应得到的液态混合物中含二氯甲烷（沸点 40℃）、三氯甲烷（沸点 62℃ ）和四氯化碳（沸点 77℃ ），分离提纯它们的方法就是蒸馏法。实验室常用的蒸馏装置如图 1-7 所示。 2．萃取 萃取包括液 - 液萃取和固-液萃取。液-液萃取是利用待分离组分在两种不互溶的溶剂中的溶解度不同，将其从一种溶剂转移到另一种溶剂的过程。可使用有机溶剂从水中萃取有机化合物，萃取用的溶剂称为萃取剂，常用的萃取剂有乙醚（C2H5OC2H5）、乙酸乙酯、二氯甲烷等。将萃取后的两层液体分开需要进行分液。分液常要使用分液漏斗，通过打开其上方的玻璃塞和下方的活塞可将两层液体分离。固-液萃取是用溶剂从固体物质中溶解出待分离组分的过程。 3. 重结晶 重结晶是提纯固体有机化合物常用的方法，是利用被提纯物质与杂质在同一溶剂中的溶解度不同而将杂质除去。重结晶首先要选择适当的溶剂，要求杂质在此溶剂中溶解度很小或溶解度很大，易于除去；被提纯的有机化合物在此溶剂中的溶解度受温度的影响较大，能够进行冷却结晶。如果重结晶所得的晶体纯度不能达到要求，可以再次进行重结晶以提高产物的纯度。 色谱法 当样品随着流动相经过固定相时，因样品中不同组分在两相间的分配不同而实现分离，这样的一类分离分析方法被称为色谱法。目前常用的固定相有硅胶、氧化铝等。1903 年，俄国植物生理学家和化学家茨韦特（М. С. Цвет，1872—1919）发表了第一篇关于色谱法的论文。他在玻璃管的一端塞上一团棉花，在管中填充碳酸钙粉末，再把溶有绿色植物色素的溶液自上而下注入玻璃管中。结果植物色素被碳酸钙粉末吸附，形成不同颜色的色带。他将吸附不同色素的碳酸钙分层取出，再用乙醇作溶剂，从植物色素中提取出叶绿素、叶黄素和胡萝卜素等较纯的组分。 茨韦特的柱色谱实验当时并未引起人们的注意。25 年后，德国化学家库恩（R. Kuhn，1900—1967）在分离、提纯胡萝卜素异构体和确定维生素的结构时应用了色谱法，并在 1938 年获得了诺贝尔化学奖。此后，色谱法成为化学家分离、提纯有机化合物的重要方法之一。人们还开发了纸色谱、薄层色谱、气相色谱和高效液相色谱等多种色谱方法。 二、确定实验式 元素的定性、定量分析是用化学方法测定有机化合物的元素组成，以及各元素的质量分数。元素定量分析的原理一般是将一定量的有机化合物燃烧，转化为简单的无机物，并通过测定无机物的质量，推算出该有机化合物所含各元素的质量分数，然后计算出该有机化合物分子内各元素原子的最简整数比，确定其实验式（也称最简式）。 有机化合物的元素定量分析最早是由德国化学家李比希（J. von Liebig ，1803—1873）提出的。他用 CuO 作氧化剂，将仅含 C、H、O 元素的有机化合物氧化，生成的 CO2 用 KOH 浓溶液吸收，H2O用无水 CaCl2 吸收。根据吸收剂在吸收前后的质量差，计算出有机化合物中碳、氢元素的质量分数，剩余的就是氧元素的质量分数，据此计算可以得到有机化合物的实验式。 典例精析 【例题】 某种含 C、H、O 三种元素的未知物 A，经燃烧分析实验测得其中碳的质量分数为 52.2%，氢的质量分数为 13.1%，试求未知物 A 的实验式。 李比希还建立了含氮、硫、卤素等有机化合物的元素定量分析方法，这些方法为现代元素定量分析奠定了基础。现在，元素定量分析使用现代化的元素分析仪，分析的精确度和分析速度都达到了很高的水平。 元素定量分析只能确定有机化合物分子中各组成原子的最简整数比，得到实验式。要确定它的分子式，还必须知道其相对分子质量。目前有许多测定相对分子质量的方法，质谱法是其中最精确而快捷的方法。 三、确定分子式 质谱法是快速、精确测定相对分子质量的重要方法，测定时只需要很少量的样品。质谱仪用高能电子流等轰击样品，使有机分子失去电子，形成带正电荷的分子离子和碎片离子等。这些离子因质量不同、电荷不同，在电场和磁场中的运动行为不同。计算机对其进行分析后，得到它们的相对质量与电荷数的比值，即质荷比。以质荷比为横坐标，以各类离子的相对丰度为纵坐标记录测试结果，就得到有机化合物的质谱图。 例如，以上例题中的未知物 A 的实验式为 C2H6O，其质谱图如图 1-15 所示。图中最右侧的分子离子峰（ 的信号）的质荷比数值为 46，因此 A 的相对分子质量为 46，由此可以推算出 A 的分子式也是 C2H6O。目前的高分辨率质谱仪还可以根据高精度的相对分子质量数据直接计算出分子式。 符合分子式 C2H6O 的可能的结构有以下两种： 质谱图中的碎片峰对我们确定有机化合物的分子结构有一定帮助，但未知物 A 究竟是二甲醚还是乙醇？这还需要我们根据其他证据进一步推断。 四、确定分子结构 确定比较复杂的有机化合物的分子结构，仅靠质谱法是很难完成的，需要借助其他现代分析仪器，进行红外光谱、核磁共振氢谱和 X 射线衍射等分析。 1. 红外光谱 有机化合物受到红外线照射时，能吸收与它的某些化学键或官能团的振动频率相同的红外线，通过红外光谱仪的记录形成该有机化合物的红外光谱图。谱图中不同的化学键或官能团的吸收频率不同，因此分析有机化合物的红外光谱图，可获得分子中所含有的化学键或官能团的信息。 图 1-16 是上面例题中未知物 A 的红外光谱图，从图中可以找到 C—O、C—H 和 O—H 的吸收峰，因此可以初步推测该未知物 A 是含有羟基官能团的化合物，结构可表示为 C2H5OH。 2. 核磁共振氢谱 氢原子核具有磁性，如果用电磁波照射含氢元素的化合物，其中的氢核会吸收特定频率电磁波的能量而产生核磁共振现象，用核磁共振仪可以记录到有关信号。处于不同化学环境中的氢原子因产生共振时吸收电磁波的频率不同，相应的信号在谱图中出现的位置也不同，具有不同的化学位移（用 δ① 表示），而且吸收峰的面积与氢原子数成正比。因此，由核磁共振氢谱图可以获得该有机化合物分子中有几种处于不同化学环境的氢原子及它们的相对数目等信息。 ① δ一般用相对值来表示［以 (CH3)4Si 的氢原子信号的 δ 为 0］，多数有机化合物氢原子的信号发生在 0 到 10 之间。 例如，实验测得未知物 A 的核磁共振氢谱图如图 1-18 所示，由此可以判断 A 的分子中有 3 种处于不同化学环境的氢原子，个数比为 3∶2∶1。而 A 的分子式 C2H6O 对应的两种可能的结构为 CH3OCH3（二甲醚）和 CH3CH2OH（乙醇），前者分子中的 6 个氢原子的化学环境相同，对应的核磁共振氢谱图中只有一组峰（如图 1-19）；后者分子中有3 种处于不同化学环境的氢原子，个数比为 3∶2∶1，对应的核磁共振氢谱图中应该有 3 组峰，且面积比为 3 ∶2 ∶1，与未知物 A 的谱图一致。因此，未知物 A 的结构简式应该是 CH3CH2OH，而不是 CH3OCH3。 3. X 射线衍射 X 射线是一种波长很短（约 10-10 m）的电磁波，它和晶体中的原子相互作用可以产生衍射图。经过计算可以从中获得分子结构的有关数据，包括键长、键角等分子结构信息。将 X 射线衍射技术用于有机化合物（特别是复杂的生物大分子）晶体结构的测定，可以获得更为直接而详尽的结构信息。目前，X 射线衍射已成为物质结构测定的一种重要技术。 当堂练习 1．在蒸馏实验中，下列叙述不正确的是( ) A．在蒸馏烧瓶中放入几粒碎瓷片，防止液体暴沸 B．将温度计水银球放在蒸馏烧瓶支管口附近 C．冷水从冷凝管下口入，上口出 D．蒸馏烧瓶不用垫石棉网，可直接加热 D 解析：A项，通常在蒸馏烧瓶中加入少量碎瓷片或者沸石，防止液体暴沸，正确；B项，温度计水银球应在蒸馏烧瓶支管口处，目的是控制馏分物质的沸点，测量的是蒸气温度，正确；C项，冷凝管水流遵循逆流原理，即冷水从冷凝管下口进入，上口流出，冷凝效果好，正确；D项，蒸馏烧瓶不能直接加热，需要垫石棉网，错误。 2．下列说法中错误的是( ) A．用酒精萃取甲苯水溶液中甲苯的操作可选用分液漏斗，然后静置分液 B．进行分液时，分液漏斗中的下层液体从下口放出，上层液体从上口倒出 C．对于密度不同、互不相溶的液体混合物，可采用分液的方法将它们分离 D．对于热稳定性较强、沸点较高的液态有机物和沸点较低的杂质可用蒸馏法除杂 A 3．下列有关苯甲酸重结晶实验中操作说法正确的是( ) A．粗苯甲酸加热溶解后可以直接趁热过滤 B．趁热过滤中，为了防止苯甲酸结晶，可先将漏斗进行预热 C．趁热过滤后，为了析出更多晶体，热滤液用冰盐水充分冷却，同时缩短结晶的时间 D．温度越低，苯甲酸的溶解度越小，所以温度越低越有利于苯甲酸的重结晶实验 B 解析 粗苯甲酸加热溶解后，考虑到过滤时溶液与环境的温差较大，易使苯甲酸晶体提前析出，滞留在过滤器中，故需在过滤前适当稀释，不能直接过滤，A项错误；趁热过滤后，用冰盐水冷却形成的结晶很小，表面积大，吸附的杂质多，C项错误；重结晶过程中温度太低，杂质的溶解度也会降低，部分杂质也会析出，达不到提纯苯甲酸的目的，D项错误。 4.李时珍在《本草纲目》中写到：“烧酒非古法也，自元时始创其法。用浓酒和糟入甑，蒸令气上，用器承取滴露。”“凡酸坏之酒，皆可蒸烧”“以烧酒复烧二次，，价值数倍也。”这里用到的方法可用于分离( ) A.硝酸钾和氯化钾 B.四氯化碳利水 C.甲醇和正丁醇 D.碘水 C 5.下列说法中正确的是(   ) A.在其核磁共振氢谱图中有5组吸收峰 B.红外光谱图只能确定有机物中所含官能团的种类和数目 C.质谱法不能用于相对分子质量的测定 D.红外光谱、核磁共振氢谱和质谱都可用于分析有机物结构 D 6.某有机物A用质谱仪测定如图①，核磁共振氢谱示意图如图②，则A的结构简式可能为(   ) A.HCOOH B.CH3CHO C.CH3CH2OH D.CH3CH2CH2OH C 7.某有机化合物在氧气中充分燃烧，生成等物质的量的二氧化碳和水。则该有机化合物的组成必须满足的条件是( ) A.分子中C、H、O原子的个数比为1:2:3 B.分子中C、H原子的个数比为1:2 C.该有机化合物的相对分子质量为14 D.该分子中肯定不含氧元素 B 完成课后相关练习 课后作业 谢谢观看 $$