第四节研究有机化合物的一般步骤和方法.ppt

6/3/20201:22AM,第四节研究有机化合物的一般步骤和方法,第一章认识有机化合物,6/3/20201:22AM,分离、提纯,元素定量分析确定实验式,测定相对分子质量确定分子式,波谱分析确定结构式,一、研究有机化合物的基本步骤:,6/3/20201:22AM,一、研究有机化合物的基本步骤:,粗产品,分离提纯,定性分析,定量分析,除杂质,确定组成元素,质量分析,测定分子量,结构分析,实验式或最简式,分子式,结构式,分离提纯的方法有哪些？,每一个操作步骤是怎样完成的呢?,6/3/20201:22AM,二、分离、提纯,1、蒸馏：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。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,6/3/20201:22AM,二、分离、提纯,核磁共振仪,质谱仪,蒸馏烧瓶,冷凝管,温度计,尾接管,冷水,热水,使用前要检查装置的气密性！,锥形瓶,6/3/20201:22AM,核磁共振仪,2、重结晶：,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,溶剂的条件：（1）杂质在溶剂中的溶解度很小或很大；（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。,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,二、分离、提纯,6/3/20201:22AM,3、萃取：,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。主要仪器：分液漏斗,萃取操作过程：,二、分离、提纯,6/3/20201:22AM,(1)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。,(2)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）,二、分离、提纯,6/3/20201:22AM,练习1下列每组中各有三对物质，它们都能用分液漏斗分离的是（）A乙酸乙酯和水，酒精和水，植物油和水B四氯化碳和水，溴苯和水，硝基苯和水C甘油和水，乙酸和水，乙酸和乙醇D汽油和水，苯和水，己烷和水,BD,6/3/20201:22AM,4、色谱法：,利用吸附剂对不同有机物吸附作用的不同，分离、提纯有机物的方法叫色谱法。,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。,二、分离、提纯,6/3/20201:22AM,色谱法,6/3/20201:22AM,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。,6/3/20201:22AM,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。,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。,二、分离、提纯,6/3/20201:22AM,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),6/3/20201:22AM,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。,6/3/20201:22AM,1.元素分析：李比希法现代元素分析法,元素分析仪,三、元素分析与相对分子质量的确定,6/3/20201:22AM,德国化学家李比希（18031873）,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。,6/3/20201:22AM,“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,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（又称为最简式）。,6/3/20201:22AM,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)13.2445.42181.6160.3：0.6：0.1361实验式为C3H6O,6/3/20201:22AM,确定有机化合物的分子式的方法：,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,方法二1mol物质中各原子（元素）的质量除以原子的摩尔质量1mol物质中的各种原子的物质的量知道一个分子中各种原子的个数有机物分子式,三、元素分析与相对分子质量的确定,6/3/20201:22AM,练习1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)52.161213.14134.716261实验式为C2H6O,6/3/20201:22AM,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。,答案：实验式是CH3，分子式是C2H6,解法一,解法二,n(C)n(H)801220113,该化合物的实验式：CH3,设分子式为(CH3)n则15n30,n2分子式为C2H6,1mol有机物中含C原子3080%122mol,1mol有机物中含H原子3020%16mol,则一个分子中含2个C原子6个H原子,分子式为C2H6,6/3/20201:22AM,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/molg/L=22.4g/mol(标况下气体),三、元素分析与相对分子质量的确定,质谱法,6/3/20201:22AM,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,质荷比：碎片的相对质量（m）和所带电荷（e-）的比值,（由于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,6/3/20201:22AM,质谱仪,6/3/20201:22AM,质荷比,乙醇的质谱图,最大分子离子的质荷比越大，达到检测器需要的时间越长，因此质谱图中的质荷比最大的就是未知物的相对分子质量。,三、元素分析与相对分子质量的确定,6/3/20201:22AM,质谱仪,例32002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（109g）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,6/3/20201:22AM,质谱仪,练习2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)64.861213.51121.63164101实验式为：C4H10O,设分子式为；(C4H10O)n则74n74n1分子式为C4H10O,6/3/20201:22AM,练习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,6/3/20201:22AM,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,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,四、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,2.物理方法：,1.化学方法：,6/3/20201:22AM,红外光谱法确定有机物结构的原理是：,1.红外光谱(IR),四、分子结构的确定,6/3/20201:22AM,核磁共振仪,2、红外光谱的应用原理,红外光谱,6/3/20201:22AM,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：,COC,C=O,不对称CH3,CH3CH2COOCH3或CH3COOCH2CH3,6/3/20201:22AM,核磁共振仪,练习4：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,COC,对称CH3,对称CH2,CH3CH2OCH2CH3,6/3/20201:22AM,核磁共振仪,6/3/20201:22AM,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,6/3/20201:22AM,结构分析：,核磁共振法,（HNMR）,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,6/3/20201:22AM,核磁共振氢谱,6/3/20201:22AM,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?,分子式为C2H6O的两种有机物的1H核磁共振谱图,核磁共振氢谱,6/3/20201:22AM,5.下图是某有机物的1H核磁共振谱图，则该有机物可能是()A.CH3CH2OHB.CH3CH2CH2OHC.CH3OCH3D.CH3CHO,C,6.下列有机物在H-NMR上只给出一组峰的是()A、HCHOB、CH3OHC、HCOOHD、CH3COOCH3,A,6/3/20201:22AM,问题探究：,种；,种,种；,种；,CH3-CH2-OH,1.下列有机物中有几种H原子以及个数之比？,6/3/20201:22AM,2.分子式为C3H6O2的二元混合物，分离后,在核磁共振氢谱上观察到氢原子给出的峰有两种情况。第一种情况峰给出的强度为11；第二种情况峰给出的强度为321。由此推断混合物的组成可能是（写结构简式）。,CH3COOCH3,CH3CH2COOH,HOCH2COCH3,HCOOCH2CH3,6/3/20201:22AM,质谱仪,拓展视野,诺贝尔化学奖与物质结构分析(2002年),引入了核磁共振光谱学观察到了DNA、蛋白质等大分子的真面目。,美国芬恩,日本田中耕一,瑞士维特里希,6/3/20201:22AM,质谱仪,一、研究有机化合物的基本步骤,分离提纯元