研究有机化合物的一般步骤和方法

1.4 研究有机化合物的一般步骤和方法讲义

徐建波2019.10.9

从天然资源中提取有机物成分，首先得到的是含有有机物的粗品。在工厂生产、实验室合成的有机化合物也不可能直接得到纯净物，得到的往往是混有未参加反应的原料，或反应副产物等的粗品。因此，必须经过分离、提纯才能得到纯品。如果要鉴定和研究未知有机物的结构与性质，必须得到更纯净的有机物。下面是研究有机化合物一般要经过的几个基本步骤：P17

［思考与交流］分离、提纯物质的总的原则是什么？ 1.不引入新杂质;

2.不减少提纯物质的量;

3.效果相同的情况下可用物理方法的不用化学方法; 4.可用低反应条件的不用高反应条件 一、分离、提纯

提纯混有杂质的有机物的方法很多，基本方法是利用有机物与杂质物理性质的差异而将它们分离。接下来我们主要学习三种分离、提纯的方法。 1、蒸馏：蒸馏是分离、提纯液态有机物的常用方法。当液态有机物含有少量杂质，而且该有机物热稳定性较强，与杂质的沸点相差较大时（一般约大于30oC），就可以用蒸馏法提纯此液态有机物。

定义：利用混合液体或液-固体系中各组分沸点不同，使低沸点组分蒸发，再冷凝以分离整个组分的操作过程。

要求：含少量杂质，该有机物具有热稳定性，且与杂质沸点相差较大（大于30℃ ）。

演示实验1-1:有杂质的工业乙醇的蒸馏 仪器：铁架台（铁圈、铁夹）、酒精灯、石棉网、蒸馏烧瓶、温度计、冷凝管、接受器等 ［强调］特别注意：冷凝管的冷凝水是从下口进上口出。77 ℃以下主要是沸点较小的甲醇,77~79 ℃主要是乙醇和水的共沸物,79 ℃以上主要是水。

小结：蒸馏的注意事项

（1注意仪器组装的顺序：“先下后上，由左至右”； （2）不得直接加热蒸馏烧瓶，需垫石棉网；

（3）蒸馏烧瓶盛装的液体，最多不超过容积的1/3；不得将全部溶液蒸干； （4）需使用沸石（防止暴沸）；

（5）冷凝水水流方向应与蒸汽流方向相反（逆流：下进上出）；

（6）温度计水银球位置应与蒸馏烧瓶支管口齐平，以测量馏出蒸气的温度； 2、结晶和重结晶

高温溶解―――趁热过滤――－冷却结晶

称量－溶解－搅拌－加热－趁热过滤－降温、冷却、结晶－过滤－洗涤烘干

（1）定义：重结晶是使固体物质从溶液中以晶体状态析出的过程，是提纯、分离固体物质的重要方法之一。

［强调］重结晶常见的类型

（1）冷却法：将热的饱和溶液慢慢冷却后析出晶体，此法适合于溶解度随温度变化较大的溶液。

（2）蒸发法：此法适合于溶解度随温度变化不大的溶液，如粗盐的提纯。

（3）重结晶：将以知的晶体用蒸馏水溶解，经过滤、蒸发、冷却等步骤，再次析出晶体，得到更纯净的晶体的过程。

若杂质的溶解度很小，则加热溶解，趁热过滤，冷却结晶；若溶解度很大，则加热溶解，蒸发结晶.重结晶的首要工作是选择适当的溶剂，要求该溶剂：（1）杂质在此溶剂中的溶解度很小或溶解度很大，易于除去；（2）被提纯的有机物在此溶剂中的溶解度，受温度的影响较大。

实验1-2：苯甲酸的重结晶

冷却结晶 趁热过滤 加热溶解

思考：

A.为什么在粗苯甲酸全溶后再加少量蒸馏水？

水量刚好，趁热过滤过程中温度降低，溶液易达到饱和而结晶析出，损失苯甲酸。 B.温度越低，苯甲酸的溶解度越小，为了得到更多的苯甲酸晶体，是不是结晶时的温度越低越好？

不是。温度过低，杂质的溶解度也会降低，部分杂质会析出，达不到提纯苯甲酸的目的。 C.在重结晶过程中进行热过滤后，要用少量热溶剂冲洗一遍，其目的是什么？ 洗涤不溶性固体表面的可溶性有机物。

D.在晶体析出后，分离晶体和滤液时，要用少量的冷溶剂洗涤晶体，其洗涤的目的是什么？为什么要用冷溶剂？

洗涤除去晶体表面附着的可溶性杂质；用冷溶剂洗涤可降低洗涤过程中晶体的溶解损失。 （2）溶剂的选择：

A.杂质在溶剂中的溶解度很小或很大，易于除去；

B.被提纯的有机物在此溶液中的溶解度，受温度影响较大。 3、萃取

（1）所用仪器：烧杯、漏斗架、分液漏斗。

（2）萃取：利用溶液在互不相溶的溶剂里溶解度的不同，用一种溶剂把溶质从它与另一种溶剂组成的溶液中提取出来，前者称为萃取剂，一般溶质在萃取剂里的溶解度更大些。

分液：利用互不相溶的液体的密度不同，用分液漏斗将它们一一分离出来。 基本操作：

(1)检验分液漏斗活塞和上口的玻璃塞是否漏液；

(2)将漏斗上口的玻璃塞打开或使塞上的凹槽或小孔对准漏斗口上的小孔,使漏斗内外空气相

通漏斗里液体能够流出

(3)使漏斗下端管口紧靠烧怀内壁;及时关闭活塞，不要让上层液体流出 (4)分液漏斗中的下层液体从下口放出，上层液体从上口倒出。 注意事项：

(1)萃取剂必须具备条件：萃取剂与原溶剂互不相溶，萃取剂与溶液中的成分不发生反应，溶质在萃取剂中的溶解度大。

(2)检查分液漏斗的瓶塞和旋塞是否严密。

(3)萃取常在分液漏斗中进行，分液是萃取操作的一个步骤，必须经过充分振荡后再静置分层。

(4)分液时，打开分液漏斗的活塞，将下层液体从漏斗颈放出，当下层液体刚好放完时，要立即关闭活塞，上层液体从上口倒出。

[思考]现有四组混合物：乙酸乙酯和乙酸钠溶液、乙醇和甘油、溴化钠和单质溴的水溶液、 碘和四氯化碳的混合物分离以上各混合物的正确方法依次是( )

A、分液、萃取、蒸馏、萃取 B、萃取、蒸馏、分液、萃取 C、分液、蒸馏、萃取、蒸馏 D、蒸馏、萃取、分液、萃取 二、元素分析与相对分子质量的测定 1、元素分析

定性分析：确定有机物中含有哪些元素。一般讲有机物燃烧后，各元素对应产物为：C→CO2，H→H2O，若有机物完全燃烧，产物只有CO2和H2O，则有机物组成元素可能为C、H或C、H、O。

定量分析：确定有机物中各元素的质量分数。（现代元素分析法）

［讲］元素定量分析的原理是将一定量的有机物燃烧，分解为简单的无机物，并作定量测定，通过无机物的质量推算出组成该有机物元素原子的质量分数，然后计算出该有机物分子所含元素原子最简单的整数比，即确定其实验式。以便于进一步确定其分子式。 [讲]确定有机化合物的分子式的方法：

（一）由物质中各原子（元素）的质量分数→ 各原子的个数比(实验式)→由相对分子质量和实验式 → 有机物分子式

（二）有机物分子式 ← 知道一个分子中各种原子的个数 ← 1mol物质中的各种原子的物质的量 ← 1mol物质中各原子（元素）的质量除以原子的摩尔质量 ←1mol物质中各种原子（元素）的质量等于物质的摩尔质量与各种原子（元素）的质量分数之积 （1）实验式法：

①根据有机物各元素的质量分数求出分子组成中各元素的原子个数比（最简式）。 ②求出有机物的摩尔质量（相对分子质量）。 （2）直接法：

①求出有机物的摩尔质量（相对分子质量）

②根据有机物各元素的质量分数直接求出1mol有机物中各元素原子的物质的量。 确定相对分子质量的方法有： （1）M = m/n

（2）根据有机蒸气的相对密度D，M1 = DM2

（3）标况下有机蒸气的密度为ρg/L， M = 22.4L/mol ?ρg/L 2、相对分子质量的测定——质谱法（MS）

(1) 质谱法的原理：用高能电子流轰击样品，使分子失去电子变成带正电荷的分子离子和碎

片离子，在磁场的作用下，由于它们的相对质量不同而使其到达检测器的时间也先后不同，其结果被记录为质谱图。 ［强调］以乙醇为例，质谱图最右边的分子离子峰表示的就是上面例题中未知物A（指乙醇）的相对分子质量。

质荷比是什么？如何读谱以确定有机物的相对分子质量？

分子离子与碎片离子的相对质量与其电荷的比值。 由于相对质量越大的分子离子的质荷比越大，达到检测器需要的时间越长，因此谱图中的质荷比最大的就是未知物的相对分子质量。 [点击试题]某有机物的结构确定：①测定实验式：某含C、H、O三种元素的有机物，经燃烧分析实验测定其碳的质量分数是64.86%，氢的质量分数是13.51%, 则其实验式是（C4H10O）。②确定分子式：下图是该有机物的质谱图，则其相对分子质量为（74），分子式为（C4H10O）。

三、分子结构的鉴定 1、红外光谱（IR）

普通红外光是指波长在2-15ｕm的电磁波，能量较低，当它照射到分子上时，只能引起分子中成键原子核间振动和转动能级的跃迁。红外光谱是利用有机化合物分子中不同基团的特征吸收频率不同，测试并记录有机化合物对一定波长范围的红外光吸收情况的谱图。 (1)原理：由于有机物中组成化学键、官能团的原子处于不断振动状态，且振动频率与红外光的振动频谱相当。所以，当用红外线照射有机物分子时，分子中的化学键、官能团可发生震动吸收，不同的化学键、官能团吸收频率不同，在红外光谱图中将处于不同位置。从而可获得分子中含有何种化学键或官能团的信息。 （2）作用：推知有机物含有哪些化学键、官能团。

［讲］从上图所示的乙醇的红外光谱图上，波数在3650cm-1区域附近的吸收峰由O-H键的伸缩振动产生，波数在2960-2870cm-1区域附近的吸收峰由C-H (-CH3、-CH2-)键的伸缩振动产生；在1450-650cm-1区域的吸收峰特别密集(习惯上称为指纹区)，主要由C-C、C-O单键的各种振动产生。要说明的是，某些化学键所对应的频率会受诸多因素的影响而有小的变化。 ［试题］有一有机物的相对分子质量为74，确定分子结构，请写出该分子的结构简式 。

2、核磁共振氢谱(NMR，nuclear magnetic resonance) （1）原理：氢原子核具有磁性，如用电磁波照射氢原子核，它能通过共振吸收电磁波能量，发生跃迁。用核磁共振仪可以记录到有关信号，处在不同环境中的氢原子因产生共振时吸收电磁波的频率不同，在图谱上出现的位置也不同，各类氢原子的这种差异被称作化学位移，而且吸收峰的面积与氢原子数成正比。

［讲］有机物分子中的氢原子核，所处的化学环境（即其附近的基团)不同），表现出的核磁性就不同，代表核磁性特征的峰在核磁共振谱图中横坐标的位置(化学位移，符号为δ)也就不同。即表现出不同的特征峰；且特征峰间强度(即峰的面积、简称峰度)与氢原子数目多少相关。

（2）作用：不同化学环境的氢原子（等效氢原子）因产生共振时吸收的频率不同，被核磁共振仪记录下来的吸收峰的面积不同。所以，可以从核磁共振谱图上推知氢原子的类型及数目。

①吸收峰数目＝氢原子类型

②不同吸收峰的面积之比（强度之比）＝不同氢原子的个数之比