2024-2025學年高二化學選擇性必修3人教版課件 1.2 研究有機化合物的一般方法

第一章有機化合物的結構特點與研究方法第二節(jié)研究有機化合物的一般方法研究有機化合物一般要經過以下幾個基本步驟，每個步驟中都有一些常用的基本方法。一、分離、提純從天然資源中提取有機化合物，通常得到的是含有雜質的粗品。工廠生產和實驗室合成的有機化合物往往也混有未反應的原料和反應副產物等。進行有機化合物組成、結構、性質和應用的研究，首先要獲得純凈的有機化合物。粗品必須經過分離、提純才能得到較為純凈的物質。

提純含雜質的有機化合物的基本方法是利用有機化合物與雜質物理性質的差異將它們分離。在有機化學中常用的分離和提純方法有蒸餾、萃取和重結晶等。1.蒸餾蒸餾是分離和提純液態(tài)有機化合物的常用方法。當液態(tài)有機化合物含有少量雜質，而且該有機化合物熱穩(wěn)定性較高，其沸點與雜質的沸點相差較大時，可用蒸餾法提純。例如，甲烷與氯氣發(fā)生取代反應得到的液態(tài)混合物中含二氯甲烷（沸點40℃）、三氯甲烷（沸點62℃）和四氯化碳（沸點77℃），分離提純它們的方法就是蒸餾法。實驗室常用的蒸餾裝置如圖1-7所示。2．萃取萃取包括液-液萃取和固-液萃取。液-液萃取是利用待分離組分在兩種不互溶的溶劑中的溶解度不同，將其從一種溶劑轉移到另一種溶劑的過程?？墒褂糜袡C溶劑從水中萃取有機化合物，萃取用的溶劑稱為萃取劑，常用的萃取劑有乙醚（C2H5OC2H5）、乙酸乙酯、二氯甲烷等。將萃取后的兩層液體分開需要進行分液。分液常要使用分液漏斗，通過打開其上方的玻璃塞和下方的活塞可將兩層液體分離。固-液萃取是用溶劑從固體物質中溶解出待分離組分的過程。3.重結晶重結晶是提純固體有機化合物常用的方法，是利用被提純物質與雜質在同一溶劑中的溶解度不同而將雜質除去。重結晶首先要選擇適當的溶劑，要求雜質在此溶劑中溶解度很小或溶解度很大，易于除去；被提純的有機化合物在此溶劑中的溶解度受溫度的影響較大，能夠進行冷卻結晶。如果重結晶所得的晶體純度不能達到要求，可以再次進行重結晶以提高產物的純度。色譜法當樣品隨著流動相經過固定相時，因樣品中不同組分在兩相間的分配不同而實現分離，這樣的一類分離分析方法被稱為色譜法。目前常用的固定相有硅膠、氧化鋁等。1903年，俄國植物生理學家和化學家茨韋特（М.С.Цвет，1872—1919）發(fā)表了第一篇關于色譜法的論文。他在玻璃管的一端塞上一團棉花，在管中填充碳酸鈣粉末，再把溶有綠色植物色素的溶液自上而下注入玻璃管中。結果植物色素被碳酸鈣粉末吸附，形成不同顏色的色帶。他將吸附不同色素的碳酸鈣分層取出，再用乙醇作溶劑，從植物色素中提取出葉綠素、葉黃素和胡蘿卜素等較純的組分。茨韋特的柱色譜實驗當時并未引起人們的注意。25年后，德國化學家?guī)於鳎≧.Kuhn，1900—1967）在分離、提純胡蘿卜素異構體和確定維生素的結構時應用了色譜法，并在1938年獲得了諾貝爾化學獎。此后，色譜法成為化學家分離、提純有機化合物的重要方法之一。人們還開發(fā)了紙色譜、薄層色譜、氣相色譜和高效液相色譜等多種色譜方法。二、確定實驗式元素的定性、定量分析是用化學方法測定有機化合物的元素組成，以及各元素的質量分數。元素定量分析的原理一般是將一定量的有機化合物燃燒，轉化為簡單的無機物，并通過測定無機物的質量，推算出該有機化合物所含各元素的質量分數，然后計算出該有機化合物分子內各元素原子的最簡整數比，確定其實驗式（也稱最簡式）。有機化合物的元素定量分析最早是由德國化學家李比希（J.vonLiebig，1803—1873）提出的。他用CuO作氧化劑，將僅含C、H、O元素的有機化合物氧化，生成的CO2用KOH濃溶液吸收，H2O用無水CaCl2

吸收。根據吸收劑在吸收前后的質量差，計算出有機化合物中碳、氫元素的質量分數，剩余的就是氧元素的質量分數，據此計算可以得到有機化合物的實驗式。典例精析【例題】某種含C、H、O三種元素的未知物A，經燃燒分析實驗測得其中碳的質量分數為52.2%，氫的質量分數為13.1%，試求未知物A的實驗式。李比希還建立了含氮、硫、鹵素等有機化合物的元素定量分析方法，這些方法為現代元素定量分析奠定了基礎。現在，元素定量分析使用現代化的元素分析儀，分析的精確度和分析速度都達到了很高的水平。元素定量分析只能確定有機化合物分子中各組成原子的最簡整數比，得到實驗式。要確定它的分子式，還必須知道其相對分子質量。目前有許多測定相對分子質量的方法，質譜法是其中最精確而快捷的方法。三、確定分子式質譜法是快速、精確測定相對分子質量的重要方法，測定時只需要很少量的樣品。質譜儀用高能電子流等轟擊樣品，使有機分子失去電子，形成帶正電荷的分子離子和碎片離子等。這些離子因質量不同、電荷不同，在電場和磁場中的運動行為不同。計算機對其進行分析后，得到它們的相對質量與電荷數的比值，即質荷比。以質荷比為橫坐標，以各類離子的相對豐度為縱坐標記錄測試結果，就得到有機化合物的質譜圖。例如，以上例題中的未知物A的實驗式為C2H6O，其質譜圖如圖1-15所示。圖中最右側的分子離子峰（的信號）的質荷比數值為46，因此A的相對分子質量為46，由此可以推算出A的分子式也是C2H6O。目前的高分辨率質譜儀還可以根據高精度的相對分子質量數據直接計算出分子式。符合分子式C2H6O的可能的結構有以下兩種：質譜圖中的碎片峰對我們確定有機化合物的分子結構有一定幫助，但未知物A究竟是二甲醚還是乙醇？這還需要我們根據其他證據進一步推斷。四、確定分子結構確定比較復雜的有機化合物的分子結構，僅靠質譜法是很難完成的，需要借助其他現代分析儀器，進行紅外光譜、核磁共振氫譜和X射線衍射等分析。1.紅外光譜有機化合物受到紅外線照射時，能吸收與它的某些化學鍵或官能團的振動頻率相同的紅外線，通過紅外光譜儀的記錄形成該有機化合物的紅外光譜圖。譜圖中不同的化學鍵或官能團的吸收頻率不同，因此分析有機化合物的紅外光譜圖，可獲得分子中所含有的化學鍵或官能團的信息。圖1-16是上面例題中未知物A的紅外光譜圖，從圖中可以找到C—O、C—H和O—H的吸收峰，因此可以初步推測該未知物A是含有羥基官能團的化合物，結構可表示為C2H5OH。2.核磁共振氫譜氫原子核具有磁性，如果用電磁波照射含氫元素的化合物，其中的氫核會吸收特定頻率電磁波的能量而產生核磁共振現象，用核磁共振儀可以記錄到有關信號。處于不同化學環(huán)境中的氫原子因產生共振時吸收電磁波的頻率不同，相應的信號在譜圖中出現的位置也不同，具有不同的化學位移（用δ①

表示），而且吸收峰的面積與氫原子數成正比。因此，由核磁共振氫譜圖可以獲得該有機化合物分子中有幾種處于不同化學環(huán)境的氫原子及它們的相對數目等信息。①δ一般用相對值來表示［以(CH3)4Si的氫原子信號的δ

為0］，多數有機化合物氫原子的信號發(fā)生在0到10之間。例如，實驗測得未知物A的核磁共振氫譜圖如圖1-18所示，由此可以判斷A的分子中有3種處于不同化學環(huán)境的氫原子，個數比為3∶2∶1。而A的分子式C2H6O對應的兩種可能的結構為CH3OCH3（二甲醚）和CH3CH2OH（乙醇），前者分子中的6個氫原子的化學環(huán)境相同，對應的核磁共振氫譜圖中只有一組峰（如圖1-19）；后者分子中有3種處于不同化學環(huán)境的氫原子，個數比為3∶2∶1，對應的核磁共振氫譜圖中應該有3組峰，且面積比為3∶2∶1，與未知物A的譜圖一致。因此，未知物A的結構簡式應該是CH3CH2OH，而不是CH3OCH3。3.X射線衍射X射線是一種波長很短（約10-10m）的電磁波，它和晶體中的原子相互作用可以產生衍射圖。經過計算可以從中獲得分子結構的有關數據，包括鍵長、鍵角等分子結構信息。將X射線衍射技術用于有機化合物（特別是復雜的生物大分子）晶體結構的測定，可以獲得更為直接而詳盡的結構信息。目前，X射線衍射已成為物質結構測定的一種重要技術。當堂練習1．在蒸餾實驗中，下列敘述不正確的是(

)A．在蒸餾燒瓶中放入幾粒碎瓷片，防止液體暴沸B．將溫度計水銀球放在蒸餾燒瓶支管口附近C．冷水從冷凝管下口入，上口出D．蒸餾燒瓶不用墊石棉網，可直接加熱D解析：A項，通常在蒸餾燒瓶中加入少量碎瓷片或者沸石，防止液體暴沸，正確；B項，溫度計水銀球應在蒸餾燒瓶支管口處，目的是控制餾分物質的沸點，測量的是蒸氣溫度，正確；C項，冷凝管水流遵循逆流原理，即冷水從冷凝管下口進入，上口流出，冷凝效果好，正確；D項，蒸餾燒瓶不能直接加熱，需要墊石棉網，錯誤。2．下列說法中錯誤的是(

)A．用酒精萃取甲苯水溶液中甲苯的操作可選用分液漏斗，然后靜置分液B．進行分液時，分液漏斗中的下層液體從下口放出，上層液體從上口倒出C．對于密度不同、互不相溶的液體混合物，可采用分液的方法將它們分離D．對于熱穩(wěn)定性較強、沸點較高的液態(tài)有機物和沸點較低的雜質可用蒸餾法除雜A3．下列有關苯甲酸重結晶實驗中操作說法正確的是(

)A．粗苯甲酸加熱溶解后可以直接趁熱過濾B．趁熱過濾中，為了防止苯甲酸結晶，可先將漏斗進行預熱C．趁熱過濾后，為了析出更多晶體，熱濾液用冰鹽水充分冷卻，同時縮短結晶的時間D．溫度越低，苯甲酸的溶解度越小，所以溫度越低越有利于苯甲酸的重結晶實驗B解析粗苯甲酸加熱溶解后，考慮到過濾時溶液與環(huán)境的溫差較大，易使苯甲酸晶體提前析出，滯留在過濾器中，故需在過濾前適當稀釋，不能直接過濾，A項錯誤；趁熱過濾后，用冰鹽水冷卻形成的結晶很小，表面積大，吸附的雜質多，C項錯誤；重結晶過程中溫度太低，雜質的溶解度也會降低，部分雜質也會析出，達不到提純苯甲酸的目的，D項錯誤。4.李時珍在《本草綱目》中寫到：“燒酒非古法也，自元時始創(chuàng)其法。用濃酒和糟入甑，蒸令氣上，用器承取滴露?！薄胺菜釅闹?，皆可蒸燒”“以燒酒復燒二次，，價值數倍也。”這里用到的方法可用于分離(

)A.硝酸鉀和氯化鉀 B.四氯化碳利水C.甲醇和正丁醇 D.碘水C5.下列說法中正確的是(

)A.在其核磁共振氫譜圖中有5組吸收峰B.紅外光譜圖只能確定有機物中所含官能團的種類和數目C.質譜法不能用于相對分子質量的測定D.紅外光譜、核磁共振氫譜和質譜都可用于分析有機物結構D6.某有機物A用質譜儀測定如圖①，核磁共振氫譜示意圖如圖②，則