二、元素分析与相对分子质量的测定 1.元素分析 用化学方法鉴定有机物分子的元素组成,以及分子内 各元素原子的质量分数,这就是元素的定性、定量分析。元素分析 元素定量分析的原理是将一定量的有机物燃烧,分解为简 elementary analysis 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。 有机物的元素定量分析最早是由德国人李比希提出 的。他用CuO作氧化剂将仅含C、H、O元素的有机物氧 化,产生的H2O用无水CaCl2吸收,CO2用KOH浓溶液 吸收。分别称出吸收前后吸收剂的质量,计算出碳、氢原 子在分子中的含量,剩余的就是氧原子的含量。李比希还 建立了含氮、硫、卤素等有机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 分析采用的是现代化的元素分析仪,由计算机控制,无论 是分析的精确度,还是分析速度都已达到很高的水平。 图111尤斯图斯·冯·李比希 【例题】某含C、H、O三种元素的未知物A,经燃uuwn1it,1803-1873 烧分析实验测定该未知物碳的质量分数为52.16%,氢的 质量分数为13.14%,试求该未知物A的实验式。 【解】(1)先确定该有机物中各组成元素原子的质量 分数 由于碳的质量分数为52.16%,氢的质量分数 为13.14%,则氧的质量分数为1-52,16% 13.14%=34.70%。 图112李比希元素分析仅 (2)再求各元素原子的个数比 N(C):N(H):N(O)=52.16%,13,14%;34.70% 12.011.00816.00 =2:6:1 则该未知物A的实验式为C2HO 元素分析只能确定组成分子的各原子最简单的整数 比。有了实验式,还必须知道该未知物的相对分子质量, 才能确定它的分子式。目前有许多测定相对分子质量的方图13观代元素分析仪 法,质谱法是最精确、快捷的方法。 第一章认识有机化合物
2.相对分子质量的测定—质请法 质谱是近代发展起来的快速、微量、精确测定相对质谱 分子质量的方法。它用高能电子流等轰击样品分子,使 mass spectroscopy(Ms) 该分子失去电子变成带正电荷的分子离子和碎片离子。 分子离子、碎片离子各自具有不同的相对质量,它们在 磁场的作用下到达检测器的时间将因质量的不同而先后 有别,其结果被记录为质谱图。图1-15中最右边的分子 离子峰(CHCH2OH)表示的是上面例题中未知物质A的 相对分子质量 未知物A的相对分子质量为46,实验式C2HO的 式量是46,所以未知物A的实验式和分子式都是 图114质诺仅 C2HO但是,符合此分子式的结构式应有两种 H 31 H-C-OC--H H--C-C--OH H 二甲醚 乙醇 究竟它是二甲醚还是乙醇?只有鉴定分子结构才能够 确定。鉴定结构的方法有化学方法和物理方法。化学方法,% CH C=OH 以官能团的特征反应为基础,鉴定出官能团,还要制备它 的衍生物以进一步确认该未知物。当化合物结构比较复杂 时,往往要耗费大量的时间。物理方法具有微量、快速、 准确、信息量大等特点。分析仪器的进步,也大大改善了 CH 有机物结构的鉴定工作,这也是有机化学在近年来得到飞 30 速发展的重要原因之一。与鉴定有机物结构有关的物理方 质荷比① 法有质谱、红外光谱、紫外光谱、核磁共振谱等,我们在 图115未知物A质谐图 这里仅介绍红外光谐与核磁共振氢谱的应用。 早与问 实验表明,许多咖啡和可乐饮料中含有兴奋性物质咖啡因。经实验测定,咖啡因分子 中各元素的质量分是:碳49.5%,5.20%,氧16.5%,氪28.9%,其摩尔质量为 194.1g/mol,你能确定它的分子式吗? ①分子离子、碎片离子的相对质量与其电荷的比值 第四节研究有机化合物的一般步骤和方法
、分子结构的鉴定 1.红外光谱 在有机物分子中,组成化学键或官能团的原子处于不红外光谱 断振动的状态,其振动频率与红外光的探动频率相当。所 infrared spectroscopy(R) 以,当用红外线照射有机物分子时,分子中的化学键或 官能团可发生振动吸收,不同的化学键或官能团吸收频 率不同,在红外光谱图上将处于不同的位置,从而可以 获得分子中含有何种化学键或官能团的信息 例如,上面例题中未知物A的红外光谱图(如 图1-17)上发现有O-H键、C一H键和C-O键的探 动吸收。 图116红外光谱仅 波数/cm 403000 2000 1000950 O-H 波长/pm 图117未知物A的红外光谱 因此,可以初步推测该未知物A是含羟基的化合物,结构简式可写为C2H5-OH。 2.核磁共振氢谱 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。用核磁共振仪可核磁共振谱 生共振时吸收电磁波的频率不同,在谱图上出现的位置 spectra( besonance 以记录到有关信号,处在不同化学环境中的氢原子因产 nudear magnetic 也不同,各类氢原子的这种差异被称为化学位移8;而 且吸收峰的面积与氢原子数成正比。因此,从核磁共振 氢谱图上可以推知该有机物分子有几种不同类型的氢原心 子及它们的数目。 未知物A(CH—OH)的核磁共振氢谱有三个峰 (如图1-19),峰面积之比是1:2:3,它们分别为羟基 的一个氢原子,亚甲基C>CH2)上的二个氢原子和甲 图118核磁共振仪 22第一章认识有机化合物
基上的三个氢原子的吸收峰。而二甲醚( CH OCH2)中的六个氢原子均处于相同的化学 环境中,只有一种氢原子,应只有一个吸收峰(如图1-20)。 吸收强度一 图119未知物A的核磁共振氢谱 图120二甲醚的核磁共振氢谱 从上述未知物A的红外光谱和核磁共探氢谱可以知道: (1)红外光谱图表明有羟基OH、CO键和烃基C一H键红外吸收峰; (2)核磁共振氢谱有三种类型氢原子的吸收峰。 因此,未知物A的结构简式应该是 CH CH-OH,而不是CH:OCH2。 导视野 X射线是一种波长很短(约108cm)的电磁波。X-射线晶休衍射技术用于有机分子 (特别是复杂的生物大分子)结构的测定,可以获得更为直接而评尽的结构信息,近年来 已成为物质结构测定的一种常规技术。 人们借助于可见光在物休表面的散射,可以看清楚它的外形和表面,但要“看清”分 子的结构,就爱依靠和分子及化学键尺寸栩匹配的X射线。 X-射线和晶体中的原子(或离子)间的相互作用,可以产生衍射图形。经过计算可 以从衍射图形获得分子结构的有关信息,包括键长、键角及分子的三维结构等。 习 题 1.对不纯的固体有机物进行提纯,常用的方法是 法,该法主要要求溶剂: 提纯液态有机物常用的方法是 ,该法要求被提纯的液态有机物与杂质 的沸点约相差 2.实验测定某有机物元素质量组成为C:69%,H:4.6%,N:8.0%,其余是O,相对分 子质量在300~400之间,试确定该有机物的: (1)实验式; (2)相对分子质量; (3)分子式。 3.某有机物由C、H、O三种元素组成,它的红外吸收光谱表明有羟基O一H键和烃基上 H键的红外吸收峰,且烃基与羟基上氢原子个数之比为2:1,它的相对分子质量为62,试写 出该有机物的结构简式。 ①化学位移以百万分之一即10-表示,也有的用百万分之一的英文缩写ppm表示。本书采用的是模拟核磁共振氢谐图 第四节研究有机化合物的一般步骤和方法23
归纳与整理 、有机物与人类的生存和社会发展密切相关,它极大地改善了人的衣、食、住、 行和卫生健康条件。同时,在工农业生产以及能源、材料和科学技术领域都起着重要的 作用。 二、有机化合物中均含有碳元素,碳在有机物中呈4价。碳原子既可和其他非金属 原子形成共价键,碳原子之间也可以形成共价单键、双键和三键。碳原子间通过共价键 相连既可以形成稳定的长短不一的链状化合物,也可以形成含碳原子数目不等的环状化 合物。所以有机化合物结构复杂,数量庞大。 三、分子式相同的有机物,由于其结构的不同,会产生性质上的差异,这种现象叫 做同分异构现象。分子式相同,结构不同的化合物互称同分异构体。同分异构现象有碳 链异构、官能团异构、位置异构等。 四、按有机物的分类方法填写下表: 类别 官能团 典型化合物的名称和结构简式 烯烃 双键 乙炔CHCH 卤代烃 OH羟基 羧酸 苯酚 OH 乙酸乙酯CH1-CO-CH 五、有机化合物按有机化合物命名原则命名。烷烃的命名是有机物命名的基础。烯 烃、炔烃等的命名是烷烃命名方法的廷伸。苯的同系物的命名以苯作母体 六、研究有机物的一般步骤: (1)用重结晶、蒸馏、萃取等方法对有机物进行分离、提纯;(2)对纯净的有机物 进行元素分析,确定实验式;(3)可用质谱法测定相对分子质量,确定分子式;(4)可 用红外光谱、核磁共振氢谱确定有机物中的官能团和各类氢原子的数目,确定结构式。 24第一章认识有机化合物