第一章認(rèn)識有機(jī)化合物1-4教科書

1、第一章認(rèn)識有機(jī)化合物 碳元素在自然界中的含量較少，在地殼中所占質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為0087。但在已發(fā)現(xiàn)或人工合成的兩千多萬種的物質(zhì)中，大部分是含碳元素的有機(jī)化合物，簡稱有機(jī)物。例如，糧食中的淀粉，木材中的纖維素，動植物體內(nèi)的蛋白質(zhì)，石油和天然氣中的各種碳?xì)浠衔锏?。它們對于人類的健康、豐富人類的物質(zhì)生活、科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展都有著十分重要的作用。 由于有機(jī)化合物特定的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致了其在物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)上的特殊性。研究有機(jī)物的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、制備方法與應(yīng)用的科學(xué)叫有機(jī)化學(xué)。1有機(jī)化合物的分類 有機(jī)化合物從結(jié)構(gòu)上有兩種分類方法：一是按照構(gòu)成有機(jī)化合物分子的碳的骨架來分類；二是按反映有

2、機(jī)化合物特性的特定原子團(tuán)來分類。一、按碳的骨架分類 按碳原子組成的分子骨架，有機(jī)化合物可分為鏈狀化合物(如丁烷)和環(huán)狀化合物，環(huán)狀化合物又包括脂環(huán)化合物(如環(huán)己烷)和芳香化合物(如苯)。人們往往又將鏈狀烴和脂環(huán)烴統(tǒng)稱為脂肪烴。二、按官能團(tuán)分類 烴分子里的氫原子可以被其他原子或原子團(tuán)所取代，衍生出一系列新的化合物。如CH4中的氫原子被氯原子取代得到CH3Cl，CH3Cl還可以經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌袡C(jī)化合物，如甲醇(CH3OH)、乙酸(CH3COOH)等。這些化合物從結(jié)構(gòu)上看，都可以看作是烴的衍生物。 甲烷在常溫下為氣體，幾乎不溶于水。甲醇沸點(diǎn)較高，常溫下為液體，和水能以任意比例相互混溶；甲醇還

3、能與羧酸反應(yīng)生成酯。甲醇的這些特性取決于甲醇分子中含有的氫氧形成的原子團(tuán)羥基(OH)，決定化合物特殊性質(zhì)的原子或原子團(tuán)叫官能團(tuán)。由于雙鍵和三鍵決定了烯烴和炔烴的化學(xué)性質(zhì)，也被看成是一種官能團(tuán)。表11列出了常見有機(jī)物的類別和官能團(tuán)。學(xué) 與 問按官能團(tuán)的不同可以對有機(jī)物進(jìn)行分類，你能指出下列有機(jī)物的類別嗎?表l一1 有機(jī)物的主要類別、官能團(tuán)和典型代表物 習(xí) 題1下列物質(zhì)中不屬于有機(jī)物的是( )。 A氰化鈉(NaCN) B醋酸(CH3COOH) C乙炔(C2H2) D碳化硅(SiC)2當(dāng)前在人類已知的化合物中，品種最多的是( )。 AV A族元素的化合物 BB族元素的化合物 C過渡元素的化合物 DA

4、族元素的化合物3請你按官能團(tuán)的不同對下列有機(jī)物進(jìn)行分類：(1) CH3CHCH2 ；(2) HCCCH2CH3 ；(6) CC14 。2有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)僅由氧元素和氫元素構(gòu)成的化合物，至今只發(fā)現(xiàn)了兩種：H2O和H2O2，而僅由碳元素和氫元素構(gòu)成的化合物卻超過了幾百萬種，形成了極其龐大的含碳元素的化合物“家族”，這與碳原子的成鍵特點(diǎn)和碳原子間的結(jié)合方式有關(guān)。一、有機(jī)化合物中碳原子的成鍵特點(diǎn) 碳原子最外層有4個電子，不易失去或獲得電子而形成陽離子或陰離子。碳原子通過共價鍵與氫、氧、氮、硫、磷等多種非金屬形成共價化合物。科學(xué)實(shí)驗(yàn)證明，甲烷分子里，1個碳原子與4個氫原子形成4個共價鍵，構(gòu)成以碳原子

5、為中心，4個氫原子位于四個頂點(diǎn)的正四面體立體結(jié)構(gòu)。 電子式 結(jié)構(gòu)式 正四面體結(jié)構(gòu)示意圖 球棍模型 比例模型圖11甲烷分子的電子式、結(jié)構(gòu)式、正四面體結(jié)構(gòu)示意圖、球棍模型和比例模型 科學(xué)實(shí)驗(yàn)還表明：在甲烷分子里，4個碳?xì)滏I是等同的，它們的鍵長均為1093 pm （1pm1012m），兩個碳?xì)滏I間的夾角均為10928，鍵能為4134 kJmol。由于碳原子的成鍵特點(diǎn)，每個碳原子不僅能與氫原子或其他原子形成4個共價鍵，而且碳原子之間也能以共價鍵相結(jié)合。碳原子間不僅可以形成穩(wěn)定的單鍵，還可以形成穩(wěn)定的雙鍵或三鍵。多個碳原子可以相互結(jié)合成長短不一的碳鏈，碳鏈也可以帶有支鏈，還可以結(jié)合成碳環(huán)，碳鏈和碳環(huán)也可

6、以相互結(jié)合。因此，含有原子種類相同，每種原子數(shù)目也相同的分子，其原子可能具有多種不同的結(jié)合方式，形成具有不同結(jié)構(gòu)的分子。資料卡片 鍵長：成鍵的2個原子，原子核間的距離稱為鍵長。 鍵角：分子中1個原子與另外2個原子形成的兩個共價鍵在空間的夾角稱為鍵角。 鍵能：以共價鍵結(jié)合的雙原子分子，裂解成原子時所吸收的能量稱為該種共價鍵的鍵能，鍵能越大，化學(xué)鍵越穩(wěn)定?？茖W(xué)視野 碳原子的sp3雜化與甲烷的結(jié)構(gòu) 甲烷分子具有正四面體結(jié)構(gòu)，它為什么會具有這樣的結(jié)構(gòu)呢?我們已經(jīng)知道，多電子原子的核外電子的能量是不同的。按電子的能量差異，可以將核外電子分成不同的能層(即電子層)。理論研究還證明，多電子原子中，同一能層的

7、電子，能量也可能不同，還可以把它們分成能級，并用符號ns、np等表示。例如，第一能層有1個能級(1s)，第二能層有2個能級(2s和2p)，等等。當(dāng)電子在不同的能級里運(yùn)動時，其運(yùn)動區(qū)域是不同的。人們根據(jù)電子的能量差異和運(yùn)動區(qū)域的不同，認(rèn)為核外電子分別處在不同的軌道上運(yùn)動，并用s、p等來表示不同形狀的軌道(如圖12)。在每個軌道里最多只能容納2個電子。在碳原子里，核外的6個電子中2個電子占據(jù)了1s軌道，2個電子占據(jù)了2s軌道，2個電子占據(jù)了2p軌道。圖12 s和p軌道 當(dāng)碳原子跟4個氫原子形成甲烷時，碳原子的1個2s軌道和3個2p軌道會發(fā)生混雜，混雜后保持原有軌道總數(shù)不變，卻得到4個相同的軌道，夾

8、角都是10928，稱為sp3雜化軌道(如圖13)。碳原子的sp3雜化軌道與氫原子的1 s軌道沿軌道對稱軸重疊形成了碳?xì)滏I，這就構(gòu)成了甲烷分子的正四面體結(jié)構(gòu)。圖13 sp3雜化軌道烷烴分子是由碳?xì)浜吞继兼I組成的。鍵的強(qiáng)度較大，組成鍵的兩個原子可以圍繞鍵軸旋轉(zhuǎn)，不影響鍵的強(qiáng)度。二、有機(jī)化合物的同分異構(gòu)現(xiàn)象思考與交流1以組成為C5H12的戊烷的三種同分異構(gòu)體為例，回憶有關(guān)同分異構(gòu)體知識。2思考討論并完成下表。物質(zhì)名稱正戊烷異戊烷新戊烷結(jié)構(gòu)式相同點(diǎn)不同點(diǎn) 化合物具有相同的分子式，但結(jié)構(gòu)不同，因而產(chǎn)生了性質(zhì)上的差異，這種現(xiàn)象叫同分異構(gòu)現(xiàn)象。具有同分異構(gòu)現(xiàn)象的化合物互為同分異構(gòu)體。在有機(jī)化合物中，當(dāng)碳原子

9、數(shù)目增多時，同分異構(gòu)體的數(shù)目也就越多。同分異構(gòu)現(xiàn)象在有機(jī)化合物中十分普遍，這也是有機(jī)化合物在自然界數(shù)目非常龐大的一個原因。 這種由于碳鏈骨架不同，產(chǎn)生的異構(gòu)現(xiàn)象稱為碳鏈異構(gòu)。烷烴中的同分異構(gòu)體均為碳鏈異構(gòu)。 在丁烯(C4H8)分子里，含有碳碳雙鍵，由于雙鍵在碳鏈中位置不同產(chǎn)生的同分異構(gòu)現(xiàn)象叫位置異構(gòu)。如： 1丁烯 2丁烯 若烯烴分子中的碳鏈存在著支鏈，還可以形成碳鏈異構(gòu)。如：2甲基丙烯1丁烯、2丁烯、2甲基丙烯的分子式均為C4H8，它們互為同分異構(gòu)體。如果有機(jī)物分子式相同，但具有不同官能團(tuán)的同分異構(gòu)體叫官能團(tuán)異構(gòu)，如乙醇和二甲醚：乙醇 二甲醚學(xué) 與 問 己烷(C6H14 )有5種同分異構(gòu)體，你

10、能寫出它們的結(jié)構(gòu)式嗎?你能寫出C3H6的同分異構(gòu)體嗎?資料卡片 結(jié)構(gòu)式、結(jié)構(gòu)簡式和鍵線式 有機(jī)化合物的組成、結(jié)構(gòu)可以用結(jié)構(gòu)式、結(jié)構(gòu)簡式和鍵線式表示。有機(jī)物分子中原子間的一對共用電子(一個共價鍵)用一根短線表示，將有機(jī)物分子中的原子連接起來，稱為結(jié)構(gòu)式。如乙醛的結(jié)構(gòu)式： 如果省略碳碳單鍵或碳?xì)鋯捂I等短線，成為結(jié)構(gòu)簡式。如乙酸的結(jié)構(gòu)簡式：CH3COOH。 如果將碳、氫元素符號省略，只表示分子中鍵的連接情況，每個拐點(diǎn)或終點(diǎn)均表示有一個碳原子，稱為鍵線式。如丙烯的鍵線式：科學(xué)史話 碳價四面體學(xué)說的創(chuàng)始人雅科比亨利克范特霍夫 荷蘭化學(xué)家雅科比亨利克范特霍夫在上中學(xué)時就非常愛好化學(xué)，他經(jīng)常積攢起父母給的零

11、用錢購買一些實(shí)驗(yàn)用的藥品和儀器，進(jìn)行家庭小實(shí)驗(yàn)。 在早期的有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)理論中，認(rèn)為有機(jī)化合物的分子結(jié)構(gòu)都是平面形的，即分子中所有的原子都處在同一平面內(nèi)。例如，甲烷的碳原子和氫原子都在同一平面上。但是這種結(jié)構(gòu)理論無法解釋下列現(xiàn)象，如果甲烷的兩個氫原子被兩個氯原子取代得到二氯甲烷，按照平面結(jié)構(gòu)理論，應(yīng)當(dāng)有兩個異構(gòu)體： 實(shí)驗(yàn)事實(shí)證明，組成為CH2Cl2的分子不存在異構(gòu)體。范特霍夫于1874年發(fā)表了空間化學(xué)引論，提出了一種新觀點(diǎn)，他認(rèn)為建立在平面結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上的化合物的結(jié)構(gòu)式并不能反映它的真實(shí)結(jié)構(gòu)，他提出在甲烷中，碳的四個價鍵指向四面體的頂點(diǎn)，碳原子位于四面體的中心，氫原子位于四個頂點(diǎn)上。像二氯甲烷這樣

12、的有機(jī)物，它的四面體模型只有一個(你可以做個模型檢驗(yàn)一下這個結(jié)論)。在立體結(jié)構(gòu)式中，實(shí)線表示該鍵在紙平面上，實(shí)楔形線表示該鍵在紙平面前方，虛線表示該鍵在紙平面后方。 如果甲烷的四個氫原子被四個不同的原子取代，例如，氯溴碘代甲烷，它的異構(gòu)體的數(shù)目就有兩個，就像人的左右手似的(你相信嗎?你也可以做個模型檢驗(yàn)一下)。 范特霍夫的假說被許多實(shí)驗(yàn)事實(shí)所證實(shí)，他的碳價四面體學(xué)說還解釋了一些當(dāng)時弄不清的異構(gòu)現(xiàn)象。 與此同時，法國化學(xué)家勒貝爾也持有相同的觀點(diǎn)。他們二人共同奠定了有機(jī)化合物三維空間結(jié)構(gòu)學(xué)說的基礎(chǔ)，這就是范特霍夫勒貝爾碳價四面體學(xué)說。 由于范特霍夫在化學(xué)研究上的貢獻(xiàn)，他于1901年獲諾貝爾化學(xué)獎，

13、成為第一位獲得諾貝爾獎的化學(xué)家。習(xí) 題 1碳原子最外電子層含有 個電子，1個碳原子可以跟其他非金屬原子形成 個 鍵，碳原子之間也能以共價鍵相結(jié)合，形成 鍵、 鍵或 鍵，連接成穩(wěn)定的長短不一的碳鏈或含碳原子數(shù)目不等的碳環(huán)，從而導(dǎo)致有機(jī)物種類紛繁，數(shù)量龐大。2下列幾種結(jié)構(gòu)簡式代表了 種不同的烴。 3下列各組物質(zhì)中，屬于同分異構(gòu)體的是( )。4烷烴C5 H12的一種同分異構(gòu)體只能生成一種一氯代物，試寫出這種異構(gòu)體的結(jié)構(gòu)簡式。5有機(jī)物CH3CH3、 CH3CHCH2、 CH3CH2CCH、 CH3CCH、C6 H6、中，與乙烯互為同系物的是 和 。3有機(jī)化合物的命名有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)復(fù)雜，種類繁多，普遍存

14、在著同分異構(gòu)現(xiàn)象。為了使每一種有機(jī)化合物對應(yīng)一個名稱，按照一定的原則和方法，對每一種有機(jī)化合物進(jìn)行命名是最有效的科學(xué)方法。 烷烴的命名是有機(jī)化合物命名的基礎(chǔ)，其他有機(jī)物的命名原則是在烷烴命名原則的基礎(chǔ)上延伸出來的。一、烷烴的命名 烴分子失去一個氫原子所剩余的原子團(tuán)叫做烴基。烷烴失去一個氫原子剩余的原子團(tuán)就叫烷基，以英文縮寫字母R表示。例如，甲烷分子失去一個氫原子后剩余的原子團(tuán)“CH3”叫做甲基，乙烷(CH3CH3)分子失去一個氫原子后剩余的原子團(tuán)“CH2CH3”叫做乙基。學(xué) 與 問 烷烴的同分異構(gòu)體隨著碳原子數(shù)目的增多而增多，并且烴基數(shù)目也會增多。你能寫出丙烷(CH3CH2CH3)分子失去一個

15、氫原子后的烴基的結(jié)構(gòu)簡式嗎? 烷烴可以根據(jù)分子里所含碳原子數(shù)目來命名。碳原子數(shù)在十以內(nèi)的用甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸來表示。例如，CH4叫甲烷，C5H12叫戊烷。碳原子數(shù)在十以上的用數(shù)字來表示。例如，C17H36叫十七烷。前面提到的戊烷的三種異構(gòu)體，可用“正”“異”“新”來區(qū)別，這種命名方法叫習(xí)慣命名法。由于烷烴分子中碳原子數(shù)目越多，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，同分異構(gòu)體的數(shù)目也越多，習(xí)慣命名法在實(shí)際應(yīng)用上有很大的局限性。因此，在有機(jī)化學(xué)中廣泛采用系統(tǒng)命名法。下面以帶支鏈的烷烴為例，初步介紹系統(tǒng)命名法的命名步驟。 (1)選定分子中最長的碳鏈為主鏈，按主鏈中碳原子數(shù)目稱作“某烷”。 (2)選主鏈中離

16、支鏈最近的一端為起點(diǎn)，用l，2，3等阿拉伯?dāng)?shù)字依次給主鏈上的各個碳原子編號定位，以確定支鏈在主鏈中的位置。例如：(3)將支鏈的名稱寫在主鏈名稱的前面，在支鏈的前面用阿拉伯?dāng)?shù)字注明它在主鏈上所處的位置，并在數(shù)字與名稱之間用一短線隔開。例如，用系統(tǒng)命名法對異戊烷命名：2甲基丁烷 (4)如果主鏈上有相同的支鏈，可以將支鏈合并起來，用“二”“三”等數(shù)字表示支鏈的個數(shù)。兩個表示支鏈位置的阿拉伯?dāng)?shù)字之間需用“，”隔開。 下面以2，3二甲基己烷為例，對一般烷烴的命名可圖示如下：如果主鏈上有幾個不同的支鏈，把簡單的寫在前面，把復(fù)雜的寫在后面。例如：2甲基4乙基庚烷學(xué) 與 問請用系統(tǒng)命名法給新戊烷命名。二、烯烴

17、和炔烴的命名 前面已經(jīng)講過，烷烴的命名是有機(jī)化合物命名的基礎(chǔ)，其他有機(jī)物的命名原則是在烷烴命名原則的基礎(chǔ)上延伸出來的。下面，我們來學(xué)習(xí)烯烴和炔烴的命名。 (1)將含有雙鍵或三鍵的最長碳鏈作為主鏈，稱為“某烯”或“某炔”。 (2)從距離雙鍵或三鍵最近的一端給主鏈上的碳原子依次編號定位。 (3)用阿拉伯?dāng)?shù)字標(biāo)明雙鍵或三鍵的位置(只需標(biāo)明雙鍵或三鍵碳原子編號較小的數(shù)字)。用“二”“三等表示雙鍵或三鍵的個數(shù)。例如：1丁烯 2戊炔2甲基2，4己二烯 4甲基1戊炔三、苯的同系物的命名苯的同系物的命名是以苯作母體的。苯分子中的氫原子被甲基取代后生成甲苯，被乙基取代后生成乙苯。如果兩個氫原子被兩個甲基取代后，

18、則生成的是二甲苯。由于取代基位置不同，二甲苯有三種同分異構(gòu)體。它們之間的差別在于兩個甲基在苯環(huán)上的相對位置不同，可分別用“鄰”“間”和“對”來表示：鄰二甲苯 間二甲苯 對二甲苯若將苯環(huán)上的6個碳原子編號，可以某個甲基所在的碳原子的位置為l號，選取最小位次號給另一甲基編號，則鄰二甲苯也可叫做1，2二甲苯，間二甲苯叫做1，3二甲苯，對二甲苯叫做1，4二甲苯。習(xí) 題1現(xiàn)有一種烴可表示為：命名該化合物時，認(rèn)定它的主鏈上的碳原子數(shù)為( )。A12 B11 C9 D82請給下列有機(jī)物命名：3請寫出下列化合物的結(jié)構(gòu)簡式：(1)2，2，3，3四甲基戊烷；(2)3，4二甲基4乙基庚烷；(3)3，5甲基3庚烯；(

19、4)3乙基1辛烯；(5)間甲基苯乙烯。4研究有機(jī)化合物的一般步驟和方法從天然資源中提取有機(jī)物成分，首先得到的是含有機(jī)物的粗品。在工廠生產(chǎn)、實(shí)驗(yàn)室合成的有機(jī)化合物也不可能直接得到純凈物，得到的往往是混有未參加反應(yīng)的原料，或反應(yīng)副產(chǎn)物等的粗品。因此，必須經(jīng)過分離、提純才能得到純品。如果要鑒定和研究未知有機(jī)物的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，必須得到更純凈的有機(jī)物。下面是研究有機(jī)化合物一般要經(jīng)過的幾個基本步驟：測定相對分子質(zhì)量確定分子式波譜分析確定結(jié)構(gòu)式分離提純元素定量分析確定實(shí)驗(yàn)式一、分離、提純提純混有雜質(zhì)的有機(jī)物的方法很多，基本方法是利用有機(jī)物與雜質(zhì)物理性質(zhì)的差異而將它們分離。例如，提純固體有機(jī)物常采用重結(jié)晶法，提

20、純液體有機(jī)物常采用蒸餾操作，也可以利用有機(jī)物與雜質(zhì)在某種溶劑中溶解性的差異，用溶劑萃取該有機(jī)物的方法來提純。 1蒸餾 蒸餾是分離、提純液態(tài)有機(jī)物的常用方法。當(dāng)液態(tài)有機(jī)物含有少量雜質(zhì)，而且該有機(jī)物熱穩(wěn)定性較強(qiáng)，與雜質(zhì)的沸點(diǎn)相差較大時(一般約大于 30)，就可以用蒸餾法提純此液態(tài)有機(jī)物。實(shí)驗(yàn)11工業(yè)乙醇含水、甲醇等雜質(zhì)，通過蒸餾可獲得含956乙醇(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)和44水的共沸混合物(沸點(diǎn)7815)。含有雜質(zhì)的工業(yè)乙醇的蒸餾 在250 mL蒸餾燒瓶中，通過玻璃漏斗倒入100 mL工業(yè)乙醇，再在燒瓶中投入l2粒素?zé)善Ｑb好蒸餾裝置，往冷凝器中通入冷卻水，加熱蒸餾，將未上釉的廢瓷片敲碎到米粒般大小即

21、可用作沸石，素?zé)善⒖字械臍怏w受熱膨脹后呈細(xì)小氣泡狀逸出，可成為液體受熱時的氣化中心，使液體平穩(wěn)沸騰，防止暴沸。蒸餾產(chǎn)物以每秒34滴為宜，分別收集以下餾分： 77以下 mL； 7779 mL； 79以上 mL。 2重結(jié)晶 重結(jié)晶的首要工作是選擇適當(dāng)?shù)娜軇?，要求該溶劑?1)雜質(zhì)在此溶劑中溶解度很小或溶解度很大，易于除去；(2)被提純的有機(jī)物在此溶劑中的溶解度，受溫度的影響較大。該有機(jī)物在熱溶液中的溶解度較大，冷溶液中的溶解度較小，冷卻后易于結(jié)晶析出，等等。苯甲酸為白色片狀晶體，熔點(diǎn)l 224，苯甲酸和苯甲酸鈉均是食品防腐劑。苯甲酸在水中的溶解度：017 g(25)，095 g(50)，68

22、g(95)。實(shí)驗(yàn)12苯甲酸的重結(jié)晶為了減少趁熱過濾過程中損失苯甲酸，一般再加入少量蒸餾水。 將粗苯甲酸1 g加到100 mL的燒杯中，再加入50 mL蒸餾水，在石棉網(wǎng)上邊攪拌邊加熱，使粗苯甲酸溶解，全溶后再加入少量蒸餾水。然后，使用短頸玻璃漏斗趁熱將溶液過濾到另一100 mL燒杯中，將濾液靜置，使其緩慢冷卻結(jié)晶，濾出晶體。粗苯甲酸的狀態(tài)： ；觀察濾液冷卻時的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象： ；重結(jié)晶后苯甲酸的狀態(tài)： 。學(xué) 與 問在苯甲酸重結(jié)晶的實(shí)驗(yàn)中，濾液放置冷卻可以結(jié)晶出純凈的苯甲酸晶體。請你思考并與同學(xué)交流：溫度越低，苯甲酸的溶解度越小，為了得到更多的苯甲酸晶體，是不是結(jié)晶時的溫度越低越好?3萃取萃取包括液液萃

23、取和固液萃取。液一液萃取是利用有機(jī)物在兩種互不相溶的溶劑中的溶解性不同，將有機(jī)物從一種溶劑轉(zhuǎn)移到另一種溶劑的過程。液液萃取是分離、提純有機(jī)物常用的方法，分液漏斗是萃取操作的常用玻璃儀器。一般是用有機(jī)溶劑從水中萃取有機(jī)物，常用的與水不互溶的有機(jī)溶劑有乙醚、石油醚、二氯甲烷等。固一液萃取是用有機(jī)溶劑從固體物質(zhì)中溶解出有機(jī)物的過程，在實(shí)驗(yàn)室和工廠中用專用的儀器和設(shè)備進(jìn)行這一操作。 分離、提純后的有機(jī)物經(jīng)過純度鑒定后，可用于進(jìn)行元素組成的分析、相對分子質(zhì)量的測定和分子結(jié)構(gòu)的鑒定?？茖W(xué)視野 色譜法 色譜法最先由俄國科學(xué)家茨維特(CBeT，18721919)用來分離、提純植物色素。他在一根玻璃管的細(xì)端塞上

24、一小團(tuán)棉花，在管中充填碳酸鈣粉末，讓溶有綠色植物葉子色素的石油醚溶液自上而下地通過。結(jié)果植物色素便被碳酸鈣吸附，分成三段不同的顏色，上段為綠色，中段為黃色，下段為黃綠色。他將碳酸鈣吸附柱分段取出，并用乙醇洗脫，即得三種色素的溶液。經(jīng)分析三種色素分別為綠色的葉綠素，黃色的葉黃素，黃綠色的胡蘿卜素。茨維特把這種利用吸附劑對不同有機(jī)物吸附作用不同，分離、提純有機(jī)物的方法叫色譜法?？上闹V實(shí)驗(yàn)當(dāng)時并未引起人們的注意。直到25 年后，德國化學(xué)家?guī)於?RKuhn，1900 1967 )在分離、提純、確定胡蘿卜素異構(gòu)體和維生素的結(jié)構(gòu)中，應(yīng)用了色譜法，并獲得 1938 年諾貝爾化學(xué)獎。 自此后，色譜法成

25、為化學(xué)家分離、提純有機(jī)物不可缺少的方法。常用的吸附劑有碳酸鈣、硅膠、氧化鋁、活性炭等。20世紀(jì)40年代后，根據(jù)物質(zhì)在兩相(氣液、液液等)間溶解性或吸附能力不同，又相繼發(fā)展了紙上色譜法、薄層色譜法、氣相色譜法、液相色譜法等。實(shí)踐活動 用粉筆分離菠菜葉中的色素取5 g新鮮的菠菜葉(或其他綠色植物的葉子)，用剪刀剪碎后放入研缽中，加入10 mL無水乙醇或丙酮研磨成漿狀，過濾除去渣子，將濾液放入50 mL燒杯中，再在燒杯中心垂直放置一根白粉筆。約10 min后觀察并記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。 圖15柱色譜裝置二、元素分析與相對分子質(zhì)量的測定 1元素分析 用化學(xué)方法鑒定有機(jī)物分子的元素組成，以及分子內(nèi)各元素原子的質(zhì)

26、量分?jǐn)?shù)，這就是元素的定性、定量分析。元素定量分析的原理是將一定量的有機(jī)物燃燒，分解為簡單的無機(jī)物，并作定量測定，通過無機(jī)物的質(zhì)量推算出組成該有機(jī)物元素原子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，然后計(jì)算出該有機(jī)物分子所含元素原子最簡單的整數(shù)比，即確定其實(shí)驗(yàn)式。 有機(jī)物的元素定量分析最早是由德國人李比希提出的。他用CuO作氧化劑將僅含C、H、O元素的有機(jī)物氧化，產(chǎn)生的H2O用無水CaCl2吸收，CO2用KOH濃溶液吸收。分別稱出吸收前后吸收劑的質(zhì)量，計(jì)算出碳、氫原子在分子中的含量，剩余的就是氧原子的含量。李比希還建立了含氮、硫、鹵素等有機(jī)物的元素定量分析方法，這些方法為現(xiàn)代元素定量分析奠定了基礎(chǔ)?，F(xiàn)在，元素定量分析采用的是

27、現(xiàn)代化的元素分析儀，由計(jì)算機(jī)控制，無論是分析的精確度，還是分析速度都已達(dá)到很高的水平。 【例題】某含C、H、O三種元素的未知物A，經(jīng)燃燒分析實(shí)驗(yàn)測定該未知物碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5216，氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1314，試求該未知物A的實(shí)驗(yàn)式。 【解】(1)先確定該有機(jī)物中各組成元素原子的質(zhì)量分?jǐn)?shù) 由于碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5216，氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1314，則氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為l521613143470。(2)再求各元素原子的個數(shù)比 則該未知物A的實(shí)驗(yàn)式為C2H6O 元素分析只能確定組成分子的各原子最簡單的整數(shù)比。有了實(shí)驗(yàn)式，還必須知道該未知物的相對分子質(zhì)量，才能確定它的分子式。目前有許多測定相對分子質(zhì)量的方法，質(zhì)譜法是

28、最精確、快捷的方法。 2相對分子質(zhì)量的測定質(zhì)譜法 質(zhì)譜是近代發(fā)展起來的快速、微量、精確測定相對分子質(zhì)量的方法。它用高能電子流等轟擊樣品分子，使該分子失去電子變成帶正電荷的分子離子和碎片離子。分子離子、碎片離子各自具有不同的相對質(zhì)量，它們在磁場的作用下到達(dá)檢測器的時間將因質(zhì)量的不同而先后有別，其結(jié)果被記錄為質(zhì)譜圖。圖16中最右邊的分子離子峰(CH3CH2OH)表示的是上面例題中未知物質(zhì)A的相對分子質(zhì)量。未知物A的相對分子質(zhì)量為46，實(shí)驗(yàn)式C2H6O的式量是46，所以未知物A的實(shí)驗(yàn)式和分子式都是C2H6O。但是，符合此分子式的結(jié)構(gòu)式應(yīng)有兩種： 二甲醚 乙醇究竟它是二甲醚還是乙醇?只有鑒定分子結(jié)構(gòu)才

29、能夠確定。鑒定結(jié)構(gòu)的方法有化學(xué)方法和物理方法?；瘜W(xué)方法以官能團(tuán)的特征反應(yīng)為基礎(chǔ)，鑒定出官能團(tuán)，還要制備它的衍生物以進(jìn)一步確認(rèn)該未知物。當(dāng)化合物結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜時，往往要耗費(fèi)大量的時間。物理方法具有微量、快速、準(zhǔn)確、信息量大等特點(diǎn)。分析儀器的進(jìn)步，也大大改善了有機(jī)物結(jié)構(gòu)的鑒定工作，這也是有機(jī)化學(xué)在近年來得到飛速發(fā)展的重要原因之一。與 圖16未知物A質(zhì)譜圖分子離子與碎片離子的相對質(zhì)量與其電荷的比值。鑒定有機(jī)物結(jié)構(gòu)有關(guān)的物理方法有質(zhì)譜、紅外光譜、紫外光譜、核磁共振譜等，我們在這里僅介紹紅外光譜與核磁共振氫譜的應(yīng)用。學(xué) 與 問實(shí)驗(yàn)表明，許多咖啡和可樂飲料中含有興奮性物質(zhì)咖啡因。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測定，咖啡因分子中各元

30、素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是：碳495，氫520 %，氧165%，氮289，其摩爾質(zhì)量為1941 gmol，你能確定它的分子式嗎?三、分子結(jié)構(gòu)的鑒定1紅外光譜在有機(jī)物分子中，組成化學(xué)鍵或官能團(tuán)的原子處于不斷振動的狀態(tài)，其振動頻率與紅外光的振動頻率相當(dāng)。所以，當(dāng)用紅外線照射有機(jī)物分子時，分子中的化學(xué)鍵或官能團(tuán)可發(fā)生振動吸收，不同的化學(xué)鍵或官能團(tuán)吸收頻率不同，在紅外光譜圖上將處于不同的位置，從而可以獲得分子中含有何種化學(xué)鍵或官能團(tuán)的信息。 例如，上面例題中未知物A的紅外光譜圖(如圖17)上發(fā)現(xiàn)有OH鍵、CH鍵和CO鍵的振動吸收。因此，可以初步推測該未知物A是含羥基的化合物，結(jié)構(gòu)簡式可寫為C2 H5OH。圖l7未

31、知物A的紅外光譜 2核磁共振氫譜氫原子核具有磁性，如用電磁波照射氫原子核，它能通過共振吸收電磁波能量，發(fā)生躍遷。用核磁共振儀可以記錄到有關(guān)信號，處在不同化學(xué)環(huán)境中的氫原子因產(chǎn)生共振時吸收電磁波的頻率不同，在譜圖上出現(xiàn)的位置也不同，各類氫原子的這種差異被稱為化學(xué)位移；而且吸收峰的面積與氫原子數(shù)成正比。因此，從核磁共振氫譜圖上可以推知該有機(jī)物分子有幾種不同類型的氫原子及它們的數(shù)目。 未知物A(C2H5OH)的核磁共振氫譜有三個峰(如圖l8)，峰面積之比是1：2：3，它們分別為羥基的一個氫原子，亞甲基( CH2 )上的二個氫原子和甲基上的三個氫原子的吸收峰。而二甲醚(CH3OCH3)中的六個氫原子均

32、處于相同的化學(xué)環(huán)境中，只有一種氫原子，應(yīng)只有一個吸收峰(如圖19)。化學(xué)位移占以百萬分之一即10-6表示，也有的用百萬分之一的英文縮寫ppm表示。本書采用的是模擬核磁共振氫譜圖。圖1一8未知物A的核磁共振氫譜圖1一9二甲醚的核磁共振氫譜從上述未知物A的紅外光譜和核磁共振氫譜可以知道：(1)紅外光譜圖表明有羥基OH、CO鍵和烴基CH鍵紅外吸收峰；(2)核磁共振氫譜有三種類型氫原子的吸收峰。因此，未知物A的結(jié)構(gòu)簡式應(yīng)該是CH3CH2OH，而不是CH3OCH3。科學(xué)視野X射線是一種波長很短(約108cm)的電磁波。X射線晶體衍射技術(shù)用于有機(jī)分子(特別是復(fù)雜的生物大分子)結(jié)構(gòu)的測定，可以獲得更為直接而詳盡的結(jié)構(gòu)信息，近年來已成為物質(zhì)結(jié)構(gòu)測定的一種常規(guī)技術(shù)。 人們借助于可見光在物體表面的散射，可以看清楚它的外形和表面，但要“看清”分子的結(jié)構(gòu)，就要依靠和分子及化學(xué)鍵尺寸相匹配的X射線。 X射線和晶體中的原子(或離子)間的相互作用，可以產(chǎn)生衍射圖形。經(jīng)過計(jì)算可以從衍射圖形獲得分子結(jié)構(gòu)的有關(guān)信息，包括鍵長、鍵角及分子的三維結(jié)構(gòu)等。習(xí) 題 1對不純的固體有機(jī)物進(jìn)行提純，常用