第四节研究有机化合物的一般步骤和方法.ppt

第一章认识有机化合物 第四节研究有机化合物的一般步骤和方法 怎样获得一种纯净的有机产品呢 1 来源 天然或人工合成 有机物粗产品 2 粗产品 分离提纯 思考 有机物 不纯 有机物 纯净 分离提纯 研究有机化合物的一般步骤 确定实验式 元素定量分析 确定化学式 测定相对分子质量 确定结构式 化学性质波谱分析 一 分离 提纯 思考 常用分离 提纯物质的方法有哪些 分离 提纯物质的总的原则是什么 不引入新杂质 不减少提纯物质的量 资料 工业酒精 主要含约10 15 的水 甲醇等杂质沸点 甲醇沸点 65 95 6 的乙醇和4 4 水的共沸混合物沸点 78 15 纯水沸点 100 无水乙醇 99 5 乙醇和0 5 水如何分离和提纯出95 6 的乙醇 一 分离 提纯 1 蒸馏 1 定义 利用混合物中各种成分的沸点不同而使其分离的方法 如石油的分馏 常用于分离提纯液态有机物 2 条件 有机物热稳定性较强 含少量杂质 与杂质沸点相差较大 30 左右 实验1 1工业乙醇的蒸馏 含杂工业乙醇 工业乙醇 95 6 无水乙醇 99 5 以上 蒸馏 加CaO蒸馏 1 实验室进行蒸馏时 用到的仪器有哪些 2 这套蒸馏装置在实验过程中 有哪些需要注意的事项 蒸馏烧瓶 冷凝管 温度计 尾接管 冷水 热水 装置 酒精灯 锥形瓶 石棉网 3 操作步骤 组装仪器 检查气密性 加瓷片 加工业乙醇 通冷却水 加热蒸馏 收集馏分 流出速度以每秒3 4滴为宜 观看视频 二 重结晶 提纯液体有机物常采用蒸馏操作 提纯固体有机物常采用重结晶法 思考 重结晶法的原理和适用条件是什么 核磁共振仪 2 重结晶 1 定义 利用被提纯物质与杂质在同一溶剂中的溶解度不同而将其杂质除去的方法 关键 选择适当的溶剂 2 溶剂的条件 杂质在溶剂中的溶解度很小或很大 被提纯的有机物在此溶剂中的溶解度受温度的影响较大 该有机物在热溶液中的溶解度较大 冷溶液中的溶解度较小 冷却后易于结晶析出 例如 苯甲酸的重结晶 粗产品 热溶解 热过滤 冷却结晶 提纯产品 一 分离 提纯 3 实验仪器与操作步骤 仪器 烧杯 玻璃棒 石棉网 三脚架 酒精灯 铁架台等 例如 苯甲酸的重结晶P18实验1 2 实验步骤 1 加热溶解 往装有粗苯甲酸的烧杯中加入40mL蒸馏水 在石棉网上搅拌加热 至粗甲苯溶解 全溶后在加入少量蒸馏水 2 趁热过滤 用玻璃漏斗趁热将溶液过滤到另一100mL烧杯中 注意 一贴 二低 三靠 3 冷却结晶 将滤液静置 使其缓慢冷却结晶 4 滤出晶体 注 苯甲酸在水中的溶解度 0 17g 25 6 8g 95 观看视频 4 注意事项 为了减少趁热过滤过程中苯甲酸的损失 一般在加热溶解固体后再加少量蒸馏水 冷却结晶时 并不是温度越低越好 因为温度过低 杂质的溶解度也会降低 部分杂质也会析出 达不到提纯的目的 3 萃取 1 原理 利用混合物中一种溶质在互不相溶的两种溶剂中的溶解性不同 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的方法 一 分离 提纯 2 主要仪器 分液漏斗 烧杯 铁架台 与原溶剂互不相溶 溶质在萃取剂中溶解度较大 萃取剂不与溶液中任一成分反应 注意 要检查分液漏斗的活塞和瓶塞是否漏水 萃取后必须有分液操作 3 萃取剂选择条件 3 萃取 4 操作过程 加入原溶液后再加入萃取剂 充分 静置分层后 打开分液漏斗活塞 从下口将放出 并及时关闭活塞 从上口倒出 振荡 下层液体 上层液体 5 分类 液 液萃取 是利用有机物在两种互不相溶的溶剂中的溶解性不同 将有机物从一种溶剂转移到另一种溶剂的过程 固 液萃取 是用有机溶剂从固体物质中溶解出有机物的过程 专用仪器设备 一 分离 提纯 6 常见的有机萃取剂苯 乙醚 石油醚 二氯甲烷 四氯化碳 4 色谱法 俄国植物学家茨卫特 1906年 茨卫特在一根玻璃管的细端塞上一小团绵花 在管中充填碳酸钙粉末 让溶有绿色植物叶子色素的石油醚溶液自上而下地通过 结果植物色素便被碳酸钙吸附 分成三段不同颜色 绿色 黄色 黄绿色 再将碳酸钙吸附柱取出 并用乙醇洗脱 即得色素的溶液 叶绿素 叶黄素 胡萝卜素 一 分离 提纯 4 色谱法 二 分离 提纯 核磁共振仪 质谱仪 叶黄素 色谱法 德国化学家库恩 茨卫特的色谱实验当时并未引起人们的注意 直到25年后的1931年 德国化学家库恩在分离 提纯 确定胡萝卜素异构体和维生素的结构中 应用了色谱法 并获得1938年诺贝尔化学奖 3 分类 根据物质在两相 气 液 液 液等 间溶解性或吸附能力不同 分为纸上色谱法 薄层色谱法 气相色谱法 液相色谱法等 2 常用的吸附剂 碳酸钙 硅胶 氧化铝 活性炭等 色谱法是化学家分离 提纯有机物不可缺少的方法 德国化学家库恩因此而获得1938年诺贝尔化学奖 一 分离 提纯 1 定义 利用吸附剂对不同有机物吸附作用的不同 进行分离 提纯有机物的方法叫色谱法 气相色谱仪 高效液相色谱仪 离子色谱仪 三聚氰胺分析仪 色谱法 用粉笔分离植物叶子中的色素 实践活动 取5g新鲜的菠菜叶 或其他绿色植物的叶子 用剪刀剪碎后放入研钵中 加入10mL无水乙醇或丙酮研磨成浆状 过滤除去渣子 将滤液放入50mL烧杯中 再在烧杯中心垂直放置一根白粉笔 约10min后观察并记录实验现象 观看视频 练习 下列每组都能用分液漏斗分离的是A酒精和水 植物油和水B四氯化碳和水 乙酸和水 C乙酸和乙醇 溴和四氯化碳D苯和水 己烷和水 练习 可以用分液漏斗分离的一组液体混和物是A溴和四氯化碳B苯和溴苯C汽油和苯D硝基苯和水 方法指引 记忆一些有机物质相对于水的密度大小和溶解性 对于解决萃取分液的实验题是很有帮助的 有机物 纯净 确定分子式 首先要确定有机物中含有哪些元素 如何利用实验的方法确定有机物中C H O各元素的质量分数 李比希法 现代元素分析法 研究有机物的一般步骤和方法 1 元素分析 李比希法 现代元素分析法 二 元素分析与相对分子质量的确定 李比希元素分析法 的原理 用无水CaCl2吸收 用KOH浓溶液吸收 得前后质量差 得前后质量差 计算C H含量 计算O含量 得出实验式 过程 将一定量的有机物燃烧 氧化 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 又称为最简式 德国化学家李比希 1803 1873 化学史话 李比希对有机化合物结构的研究有什么贡献 定量测定有机物中碳和氢元素含量的一种分析方法 将准确称量的样品置于一燃烧管中 再将其彻底燃烧成二氧化碳和水 用纯的氧气流把它们分别赶入烧碱石棉剂 附在石棉上粉碎的氢氧化钠 及高氯酸镁的吸收管内 前者将排出的二氧化碳变为碳酸钠 后者吸收水变为含有结晶水的高氯酸镁 这两个吸收管增重量分别表示生成的二氧化碳和水的重量 由此即可计算样品中的碳和氢的含量 如果碳与氢的百分含量相加达不到100 而又检测不出其他元素 则差数就是氧的百分含量 本法的特点是碳氢分析在同一样品中进行 且对仪器装置稍加改装后 即能连续检测其他元素 元素分析仪 二 元素分析与相对分子质量的确定 1 定性分析 用化学方法鉴定有机物分子的元素组成 如燃烧分析法 燃烧后 C生成CO2 H生成H2O 2 定量分析 将一定量的有机物燃烧并测定各产物的量 从而推算出个组成元素的质量分数 进而确定该有机物的实验式 二 元素分析与相对分子质量的确定 1 元素分析 李比希法 现代元素分析法 例 某含C H O三种元素组成的未知有机物A 经燃烧分析实验测定该未知物中碳的质量分数为52 16 氢的质量分数为13 14 1 试求该未知物A的实验式 分子中各原子的最简单的整数比 2 若要确定它的分子式 还需要什么条件 相对分子质量 n C n H n O 52 16 12 13 14 1 34 7 16 2 6 1 实验式为C2H6O 思考 确定相对分子质量的方法有哪些 1 M m n 2 M1 DM2 D为相对密度 3 M 22 4L mol g L 22 4 g mol 标况下气体 二 元素分析与相对分子质量的确定 质谱法 2 相对分子质量的测定 质谱法 MS 质谱仪 测定相对分子质量的方法很多 质谱法是最精确 最快捷的方法 核磁共振仪 相对分子质量的确定 有机物分子 高能电子束轰击 带电的 碎片 确定结构 碎片的质荷比 质谱图中的质荷比 碎片的相对质量 m 和所带电荷 e 的比值 分子离子的质荷比越大 达到检测器需要的时间最长 因此谱图中的质荷比最大的就是未知物的相对分子质量 质谱法作用 测定相对分子质量 测定相对分子质量的方法很多 质谱法是最精确 最快捷的方法 它是用高能电子流等轰击样品分子 使该分子失去电子变成带正电荷的分子离子和碎片离子 这些不同离子具有不同的质量 质量不同的离子在磁场作用下达到检测器的时间有差异 其结果被记录为质谱图 2 质谱法 质荷比 乙醇的质谱图 质谱仪 例1 2002年诺贝尔化学奖获得者的贡献之一是发明了对有机物分子进行结构分析的质谱法 其方法是让极少量的 10 9g 化合物通过质谱仪的离子化室使样品分子大量离子化 少量分子碎裂成更小的离子 如C2H6离子化后可得到C2H6 C2H5 C2H4 然后测定其质荷比 设H 的质荷比为 某有机物样品的质荷比如右图所示 假设离子均带一个单位正电荷 信号强度与该离子的多少有关 则该有机物可能是 A甲醇B甲烷C丙烷D乙烯 B 例1 5 8g某有机物完全燃烧 生成CO213 2g H2O5 4g 含有哪些元素 思考 能否直接确定该有机物的分子式 实验式和分子式有何区别 实验式和分子式的区别 实验式 表示化合物分子中所含元素的原子数目最简整数比的式子 分子式 表示化合物所含元素的原子种类及数目的式子 表示物质的真实组成 n C n H n O 13 2g 44g mol 5 4g 2 18g mol 1 6g 16g mol 0 3mol 0 6mol 0 1mol 3 6 1 实验式为C3H6O 小结 有机物分子式的确定方法 一 有机物的分子式 有机物的实验式和相对分子质量 原子个数的最简整数比 元素定量分析 质谱仪 练习1 某有机物的结构确定 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 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 分子式为 C4H10O 74 C4H10O 74 n C n H n O 64 86 12 13 51 1 21 63 16 4 10 1 实验式为 C4H10O 设分子式为 C4H10O n则74n 74 n 1分子式为C4H10O 例2 实验测得某碳氢化合物A中 含碳80 含氢20 求该化合物的实验式 又测得该化合物的相对分子质量是30 求该化合物的分子式 实验式是CH3 分子式是C2H6 解法一 解法二 n C n H 80 12 20 1 1 3 该化合物的实验式 CH3 设分子式为 CH3 n则15n 30 n 2分子式为C2H6 1mol有机物中含C原子30 80 12 2mol 1mol有机物中含H原子30 20 1 6mol 则一个分子中含2个C原子6个H原子 分子式为C2H6 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 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 知道一个分子中各种原子的个数 有机物分子式 练习2 P21的 学与问 小结 有机物分子式的确定方法 二 例3 吗啡和海洛因都是严格查禁的毒品 吗啡分子含C71 58 H6 67 N4 91 其余为O 已知其分子量不超过300 试求 吗啡的分子量 吗啡的分子式 分析 可先假设分子中只含1个氮原子 可通过N的百分含量和N的原子量 计算出吗啡的最小分子量 解 吗啡最小分子量 而又知吗啡分子量不超过300 故可知吗啡分子量即为285 一个吗啡分子中碳原子数为氢原子数为氮原子数为1氧原子数为故吗啡的分子式为 对只知道相对分子质量的范围的有机物 要通过估算求相对分子质量 再求分子式 练习3 P23习题2 小结 有机物分子式的确定方法 三 练习4 某同学为测定维生素C 可能含C H或C H O 中碳 氢的质量分数 取维生素C样品研碎 称取该样品0 352g 置于铂舟并放入燃烧管中 不断通入氧气流 用酒精喷灯持续加热样品 将生成物先后通过无水硫酸铜和碱石灰 两者分别增重0 144g和0 528g 生成物完全被吸收 试回答以下问题 1 维生素C中碳的质量分数是 氢的质量分数是 2 维生素C中是否含有氧元素 为什么 3 试求维生素C的实验式 4 若维生素C的相对分子质量为176 请写出它的分子式 C3H4O3 41 4 55 肯定含有氧 C6H8O6 三 分子结构的测定 有机物的性质 结构式 确定有机物的官能团 分子式 计算不饱和度 推测可能的官能团写出可能的同分异构体 2 核磁共振氢谱 氢原子种类不同 所处的化学环境不同 特征峰也不同 1 红外光谱 作用 获得分子中含有何种化学键或官能团的信息 作用 测定有机物分子中等效氢原子的类型和数目 三 分子结构的确定 利用特征反应鉴定出官能团 再进一步确认分子结构 物理方法 化学方法 红外光谱法确定有机物结构的原理是 1 红外光谱 IR 三 分子结构的确定 2 红外光谱的应用原理 红外光谱 例4 下图是一种分子式为C4H8O2的有机物的红外光谱谱图 则该有机物的结构简式为 C O C C O 不对称CH3 CH3CH2COOCH3或CH3COOCH2CH3 练习5 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 C O C 对称CH3 对称CH2 CH3CH2OCH2CH3 2 核磁共振氢谱 HNMR 核磁共振仪 核磁共振中的核指的是氢原子核 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 处于不同化学环境中的氢原子因产生共振时吸收的频率不同 在谱图上出现的位置也不同 且吸收峰的面积与氢原子数成正比 可以推知该有机物分子有几种不同类型的氢原子及它们的数目多少 2 核磁共振氢谱 四 分子结构的确定 核磁共振氢谱 如何根据核磁共振氢谱确定有机物的结构 吸收峰数目 氢原子类型 不同吸收峰的面积之比 强度之比 不同氢原子的个数之比 结构分析 核磁共振法 H NMR 作用 测定有机物中H原子的种类 信号个数 和数目 信号强度之比 峰面积 吸收峰数目 氢原子类型 不同吸收峰的面积之比 强度之比 不同氢原子的个数之比 例5 分子式为C2H6O的两种有机化合物的1H核磁共振谱 你能分辨出哪一幅是乙醇的1H NMR谱图吗 图1 图2 练习6 分子式为C2H4O2的结构可能有乙酸和甲酸甲酯两种 为对其结构进行物理方法鉴定 可用红外光谱法或核磁共振氢谱法 1 若为乙酸 则红外光谱中应该有 个振动吸收 核磁共振氢谱中应有 个峰 2 若为甲酸甲酯 则红外光谱中有 个振动吸收 核磁共振氢谱中应有 个峰 4 2 3 2 练习7 2002年诺贝尔化学奖表彰了两项成果 其中一项是瑞士科学家库尔特 维特里希发明了 利用核磁共振技术测定溶液中生物大分子三维结构的方法 在化学上经常使用的是氢核磁共振谱 它是根据不同化学环境的氢原子在氢核磁共振谱中给出的信号不同来确定有机物分子中的不同的氢原子 下列有机物分子在核磁共振氢谱中只给出一种信号的是AHCHOBCH3OHCHCOOHDCH3COOCH3 A 练习8 下图是某有机物的1H核磁共振谱图 则该有机物可能是