一、研究有机化合物的一般步骤

1.1 整体步骤

  1. 蒸馏、萃取、重结晶等进行分离、提纯
  2. 元素定性、定量分析确定实验式（最简式）
  3. 测定相对分子质量确定分子式
  4. 波谱分析确定分子结构

二、分离与提纯

2.1 蒸馏

1.适用条件

  1. 目的：分离、提纯的液体混合物，
  2. 药品要求：有机物热稳定性较高，有机物与杂质的沸点相差较大（一般相差30℃以上）

2. 注意事项

  1. 温度计水银球位置：蒸馏烧瓶支管处
  2. 加碎瓷片作用：防止爆沸
  3. 冷凝管中水的流向：下口流入，上口流出
  4. 蒸馏烧瓶使用要求：所盛液体不能超过其容积的2/3，不能少于其容积的1/3
  5. 蒸馏实验时，没有加入碎瓷片，应停止加热，待冷却后补加碎瓷片，再继续实验

3. 蒸馏装置

  1. 装置描述：蒸馏烧瓶接在铁架台上，底下放酒精灯，烧瓶中温度计最低处处于支管口；支管连接冷凝管，冷凝管尾端连接牛角管，牛角管下端放置锥形瓶收集液体

2.2 萃取

1.萃取类型

  1. 液—液萃取 ：利用待分离组分在两种互不相溶的溶剂中的溶解度不同，将其从一种溶剂转移到另一种溶剂中
  2. 固—液萃取 ：利用溶剂从固体物质中溶解出待分离组分的过程

2.萃取剂的选择条件

  1. 萃取剂与原溶液中的溶剂不反应，不互溶
  2. 待分离组分在萃取剂中的溶解度大于在原溶剂中
  3. 萃取剂与待分离组分不反应

3. 主要仪器及基本操作

  1. 装液：将待测液体装入分液漏斗中
  2. 振荡：要时不时旋开活塞放气
  3. 静置：等待液体静置分层
  4. 分液：利用分液漏斗分液

2.3 重结晶

  1. 原理 ：利用被提纯物质与杂质在同一溶剂中的溶解度不同而将杂质除去
  2. 适用 ：重结晶是分离、提纯固态有机物的常用方法
  3. 溶剂的选择 ：
    1. 杂质：在所选的溶剂中溶解度很大或很小，容易除去
    2. 被提纯物质：在所选溶剂中的溶解度受温度影响较大，能够进行冷却结晶。
  4. 实验仪器及操作：
    1. 加热溶解：用玻璃棒搅拌，加速溶解
    2. 趁热过滤：
      1. 趁热一方面是除去不溶性的杂质
      2. 另一方面尽量减少因温度降低导致苯甲酸析出而造成的损失

2.4 色谱法

  1. 原理 ：样品随流动相经过固定相时，因样品中不同组分在两相间的分配不同而实现分离，这样一类分离分析方法称为色谱法
  2. 常用固定相 ：硅胶、氧化铝
  3. 常见色谱法 ：纸色谱法、薄层色谱法、气相色谱法、高效液相色谱法

2.5 物质提纯的一般思路

  1. 杂转纯：将杂质转为被提纯物质
  2. 杂转沉 ：将杂质转变为沉淀，过滤除去
  3. 杂转气 ：将杂质转变为气体，逸出
  4. 萃取：详见上文

2.6 物质的性质与分离、提纯方法的选择

  1. 物质的溶解性的差异 ：结晶、过滤
  2. 物质的沸点差异 ：蒸馏方法将液体混合物分离
  3. 物质在不互溶的溶剂中溶解度不同 ：萃取、分液
  4. 混合物中各组分性质不同，可采取加热、调pH、加适当的试剂等其他方法，使物质发生转化，再利用物理方法除去

三、确定实验式和分子式

3.1 实验式测定——元素分析

1. 基本概念

  1. 定性分析：用化学法测定有机物的元素组成
  2. 定量分析原理：将一定量的有机物完全燃烧，转化为简单的无机物，并通过测定无机物的质量，从而推断出各元素的质量分数，然后计算出有机物分子中所含元素原子的最简整数比，确定有机物的实验式
  3. 完全燃烧产物：\(\ce{C->CO2，H->H2O,N->N2,S->SO2}\)

2.步骤（李比希法）

李比希法.png
李比希法
  1. 测定顺序：先测定水（用浓硫酸或无水氯化钙吸收），然后再测定\(\ce{CO2}\) （碱石灰或者\(\ce{KOH}\)浓溶液吸收）
  2. 氮元素质量分数的测定：将样品通入\(\ce{CO2}\) 气流中，在氧化铜的作用下生成氮气；有一部分氮转化为氮氧化物，借助金属铜将它们还原为氮气，然后测定氮气的总体积
  3. 卤素的质量分数的测定：含卤素的有机化合物与发烟硝酸和固体硝酸银一同放入密闭体系中加热，卤素原子转变为卤素离子并生成卤化银沉淀

3.2 相对分子质量的测定——质谱法

  1. 原理：用高能电子流等轰击样品，使有机分子失去电子，形成带正电荷的分子离子和碎片离子等。这些离子因质量不同、电荷不同，在电场和磁场中运动行为不同，被记为质谱图
  2. 荷质比 ：分子离子、碎片离子的相对分子质量与电荷数的比值。质谱图中，质荷比最大值就表示了样品分子中的相对分子质量
  3. 质谱图：横坐标（质荷比），纵坐标（相对丰度）

3.3 有机物分子式的确定

  1. 实验式法：实验式是表示化合物分子中所含各元素的原子数目最简整数比的式子。各元素的质量分数\(\ce{->}\) 各元素的原子个数之比（实验式）\(\ce{->[相对分子质量]}\) 分子式
  2. 物质的量关系法：密度或其他条件\(\ce{->}\) 摩尔质量\(\ce{->}\) 1mol分子中所含各元素原子的物质的量\(\ce{->}\) 分子式
  3. 通式法：物质的性质等\(\ce{->}\)类别及组成通式，如\(\ce{C_nH_{2n}}\)\(\ce{->[相对分子质量]}\) n值\(\ce{->}\)分子式

四、确定分子结构——波谱分析

4.1 基本概况

  1. 确定有机化合物结构的方法有物理方法和化学方法。
  2. 化学方法：以官能团的特征反应为基础，确定出官能团
  3. 物理方法：红外光谱法，核磁共振氢谱、X射线衍射法

4.2 红外光谱法

  1. 作用：初步判断某有机物中含有何种化学键或官能团
  2. 红外光谱的原理：有机物受到红外线照射时，能吸收与它的某些化学键或官能团的振动频率相同的红外线，通过红外氢谱仪记录形成红外光谱图
  3. 红外光谱图：横坐标（波数），纵坐标（透过率）

4.3 核磁共振氢谱

  1. 作用：测定有机物分子中有几种处于不同化学环境的氢原子及它们的相对数目
  2. 原理：处在不同化学环境中的氢原子因产生共振时吸收电磁波的频率不同，相应的信号在谱图中出现的位置也不同，且吸收峰的面积与氢原子数成正比
  3. 关系：吸收峰数=氢原子种类数；吸收峰面积比=不同种类的氢原子的个数比

4.4 X射线衍射

  1. 原理：X射线衍射是一种波长很短的电磁波，它和晶体中的原子相互作用可以产生衍射图。经过计算可以从中获得分子结构的有关数据，包括键长、键角等分子结构信息。
  2. 应用：X射线衍射技术可用于有机化合物（特别是复杂的生物大分子）晶体结构的测定

4.5 确定有机物结构的其他方法

  1. 根据价键规律确定物质结构：某些有机物根据价键规律只存在一种结构，可直接根据分子式确定其结构式。例如\(\ce{C2H6}\) ，只能是\(\ce{CH3CH3}\)
  2. 通过定性实验确定官能团的种类：依托于官能团的特征反应
  3. 通过定量实验确定官能团的数目
  4. 根据实验测定的有机物的结构片段”组装“”拼合“有机物

五、不饱和度

  1. 定义：不饱和度又称为缺氢指数，是有机物分子不饱和程度的量化标志，用\(\ce{\Omega}\) 表示。某烃分子中的氢原子与和它碳原子数相等的链状烷烃相比较时，每减少2个氢原子，则该烃分子的不饱和度就增加1
  2. 一般计算方法 ：
    1. 规定烷烃\(\ce{\Omega =0}\) (所有碳原子均饱和)，每增加一个双键或每形成一个脂环，氢原子就减少2个，不饱和度就增加1。如\(\ce{CH2=CH2}\) 、六元环的不饱和度为1
    2. 烃分子的不饱和度\(\ce{\Omega=x + 1 - \dfrac{y}{2}}\)
      1. x：碳原子数；y：氢原子数
      2. 卤素原子视为氢原子；\(\ce{C2H5Cl的\Omega =2 + 1 + \dfrac{5+1}{2}=0}\)
      3. 氧原子：直接忽略，不考虑；\(\ce{CH3COOH 的\Omega =2 + 1 - \dfrac{4}{2}=1}\)
      4. 氮原子：在氢原子总数中减去氮原子数；\(\ce{CH3NH2 的\Omega = 1 + 1 - \dfrac{5-1}{2} =0 }\)