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第一章 有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與研究方法
有機(jī)化合物實(shí)驗(yàn)式、分子式、
分子結(jié)構(gòu)的確定
1、通過李比希定量分析法,熟練掌握有機(jī)化合物中C、H、O含量的測定方法,認(rèn)識(shí)定量分析在科學(xué)研究中的重要價(jià)值。
2、通過了解現(xiàn)代儀器分析在有機(jī)化合物組成和結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用,能依據(jù)質(zhì)譜法判斷有機(jī)物相對(duì)分子質(zhì)量,能依據(jù)波譜分析數(shù)據(jù)推斷簡單有機(jī)化合物的分子結(jié)構(gòu)。
3、知道紅外光譜、核磁共振等現(xiàn)代儀器分析方法在有機(jī)物分子結(jié)構(gòu)測定中的應(yīng)用。
分離、提純
確定實(shí)驗(yàn)式
確定分子式
確定分子結(jié)構(gòu)
蒸餾、
萃取、
重結(jié)晶等
元素定量分析
質(zhì)譜法
波譜分析：
質(zhì)譜、紅外光譜、
核磁共振氫譜、
X射線衍射等
研究有機(jī)化合物的基本步驟：
一、有機(jī)化合物實(shí)驗(yàn)式的確定
化學(xué)方法
定量分析
定性分析
確定有機(jī)物的元素組成
一般是將一定量的有機(jī)物燃燒，轉(zhuǎn)化為簡單的無機(jī)物
原理：通過無機(jī)物的質(zhì)量推算出該有機(jī)物所含各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，然后計(jì)算出該有機(jī)物分子內(nèi)各元素原子的最簡整數(shù)比，確定其實(shí)驗(yàn)式（也稱最簡式）。
有機(jī)化合物的元素定量分析最早由德國化學(xué)家李比希提出。
（J·von Liebig，1803—1873）
燃燒法(李比希法)
某有機(jī)物完全燃燒后，若產(chǎn)物只有CO2和H2O ，其元素組成為_______________________。
李比希元素分析儀
如果碳與氫的百分含量相加達(dá)不到100%，而又檢測不出其他元素，則差數(shù)就是氧的百分含量
肯定有C、H，可能有O
實(shí)驗(yàn)裝置
李比希法
原理：
一定量有機(jī)物
[含C、H、(O)]
CuO
氧化
H2O
CO2
無水CaCl2吸收
濃KOH吸收
反應(yīng)前后裝置質(zhì)量差
計(jì)算
C、H
元素
質(zhì)量
用C、H、O元素原子個(gè)數(shù)比確定實(shí)驗(yàn)式
依據(jù)總質(zhì)量減去C、H元素質(zhì)量確定是否有O元素
圖2 李比希簡易裝置圖
【例1】含C、H、O三元素的未知物A，經(jīng)燃燒分析實(shí)驗(yàn)測定該未知物中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為52.2%，氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13.1%。試求該未知物A的實(shí)驗(yàn)式。
（2）計(jì)算該有機(jī)化合物分子內(nèi)各元素原子的個(gè)數(shù)比：
【解】
（1）計(jì)算該有機(jī)化合物中氧元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)：
ω(O)＝100%－52.2%－13.1%＝34.7%
N(C)：N(H)：N(O)＝
52.2%
12.01
13.1%
1.008
34.7%
16.00
：
：
＝2：6：1
【答】該未知物A的實(shí)驗(yàn)式為C2H6O
李比希還建立了含氮、硫、鹵素等有機(jī)化合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)。現(xiàn)在，元素定量分析使用現(xiàn)代化的元素分析儀分析的精確度和分析速度都達(dá)到了很高的水平。
現(xiàn)代化的元素分析儀
元素定量分析只能確定有機(jī)化合物分子中各組成原子的最簡整數(shù)比，得到實(shí)驗(yàn)式。要確定它的分子式，還必須知道其相對(duì)分子質(zhì)量。目前有許多測定相對(duì)分子質(zhì)量的方法，質(zhì)譜法是其中最精確而快捷的方法
質(zhì)譜儀
質(zhì)譜儀工作原理示意圖
二.相對(duì)分子質(zhì)量的測定—— 質(zhì)譜法
有機(jī)物分子
確定相對(duì)分子質(zhì)量
離子的質(zhì)荷比
高能電子束
轟擊
帶正電荷的離子
磁場作用下先后
到達(dá)檢測儀
質(zhì)譜圖
（較快速、精準(zhǔn)的方法）
質(zhì)譜儀
質(zhì)譜圖
未知物A的實(shí)驗(yàn)式為C2H6O，其質(zhì)譜圖中最右側(cè)的分子離子峰（CH3CH2OH的信號(hào)）的質(zhì)荷比數(shù)值為46，因此A的相對(duì)分子質(zhì)量為46，由此可以推算出A的分子式也是C2H6O。
讀數(shù)方法：相對(duì)分子質(zhì)量＝最大質(zhì)荷比＝最右邊的分子離子峰
【例1】某有機(jī)物的結(jié)構(gòu)確定：
(1)測定實(shí)驗(yàn)式：某含C、H、O三種元素的有機(jī)物，經(jīng)燃燒分析實(shí)驗(yàn)測定其碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是64.86%，氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是13.51%，則其實(shí)驗(yàn)式是________。
C4H10O
(2)確定分子式：如圖是該有機(jī)物的質(zhì)譜圖，則其相對(duì)分子質(zhì)量為______；分子式為_________。
C4H10O
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（1）定義法：M = m / n
(5) 質(zhì)譜法——測定相對(duì)分子質(zhì)量的方法很多，質(zhì)譜法是最精確、最快 捷的方法。
（3）標(biāo)準(zhǔn)狀況密度法：已知標(biāo)準(zhǔn)狀況下氣體的密度ρ，求算摩爾質(zhì)量。
M＝ρ×22.4 L·mol－1。
（2）根據(jù)有機(jī)物蒸氣的相對(duì)密度 D
D =
=
思考：回顧所學(xué)知識(shí)，有哪些方法可以求相對(duì)分子質(zhì)量？
（4）混合氣體平均摩爾質(zhì)量：
有機(jī)物A的分子式為C2H6O，你怎樣確定有機(jī)物A是乙醇，還是二甲醚？
寫出C2H6O可能的結(jié)構(gòu)：

質(zhì)譜圖中的碎片峰對(duì)我們確定有機(jī)化合物的分子結(jié)構(gòu)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(jù)其他證據(jù)作出進(jìn)一步推斷。
1.紅外光譜
應(yīng)用：可獲得分子中所含有的化學(xué)鍵或官能團(tuán)的信息。
原理：
有機(jī)化合物受到紅外線照射時(shí)，能吸收與它的某些化學(xué)鍵或官能團(tuán)的振動(dòng)頻率相同的紅外線，通過紅外光譜儀的記錄形成該有機(jī)化合物的紅外光譜圖。
簡易紅外光譜儀的結(jié)構(gòu)示意圖
紅外光譜圖
三、確定分子結(jié)構(gòu)
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(tuán)的化合物，結(jié)構(gòu)可表示為C2H5OH。
未知物A（化學(xué)式為C2H6O）的紅外光譜圖
2、核磁共振氫譜：
氫原子核具有磁性。處于不同化學(xué)環(huán)境中的氫原子因產(chǎn)生共振時(shí)吸收的頻率不同，相應(yīng)的信號(hào)在譜圖中出現(xiàn)的位置也不同，具有不同的化學(xué)位移（用δ表示）
吸收峰的面積與氫原子數(shù)成正比
（1）原理
核磁共振儀
測定有機(jī)物中 H 原子的種類和數(shù)目
（2）讀圖技巧：
吸收峰數(shù)目＝氫原子種類（分子中等效H數(shù)）
峰面積之比 = 等效氫數(shù)目之比
未知物A的核磁共振氫譜
二甲醚的核磁共振氫譜
由未知物A（分子式為C2H6O ）的核磁共振氫譜圖，可以判斷
A的分子中有3中處于不同化學(xué)
環(huán)境的氫原子，個(gè)數(shù)比為3:2:1。
CH3OCH3（二甲醚）分子中的
6個(gè)氫原子的化學(xué)環(huán)境相同，對(duì)
應(yīng)的核磁共振氫譜圖中只有一個(gè)峰
未知物A的結(jié)構(gòu)簡式應(yīng)該是CH3CH2OH，而不是CH3OCH3
3、X射線衍射譜
X射線是一種波長很短的電磁波（約10－10 m），它和晶體中的原子相互作用可以產(chǎn)生衍射圖，
(1) 原理
可獲得分子結(jié)構(gòu)的有關(guān)數(shù)據(jù)，如鍵長、鍵角等，用于有機(jī)化合物晶體結(jié)構(gòu)的測定
將X射線衍射技術(shù)用于有機(jī)化合物(特別是復(fù)雜的生物大分子)晶體結(jié)構(gòu)的測定，可以獲得更為直接而詳盡的結(jié)構(gòu)信息。
(2) 應(yīng)用
確定有機(jī)物分子式(結(jié)構(gòu)式)的一般思路
①C、H、O元素的質(zhì)量或C、H、 O元素的質(zhì)量比或C、H、 O元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)
②燃燒產(chǎn)物的物質(zhì)的量或質(zhì)量
①M(fèi)= 22.4ρ(標(biāo)準(zhǔn)狀況下)
②M= dMr
(d為相對(duì)密度，Mr為已知?dú)怏w相對(duì)分子質(zhì)量)
③質(zhì)譜圖
紅外
光譜
核磁共振氫譜
X射線
衍射
根據(jù)同分
異構(gòu)體
根據(jù)化學(xué)性質(zhì)
求1 mol有機(jī)物中含各種元素原子的物質(zhì)的量
有機(jī)物燃燒方程式、計(jì)算、討論
分子式
結(jié)構(gòu)式
實(shí)驗(yàn)式
相對(duì)分
子質(zhì)量
1、有機(jī)化合物X的分子式為C4H8O2，其紅外光譜如下圖所示，則該有機(jī)化合物可能的結(jié)構(gòu)為 (雙選，填字母)。
A B
圖中信息：①不對(duì)稱—CH3 ②C=O ③C－O－C
A. CH3COOCH2CH3
B. CH3CH2COOCH3
C. HCOOCH2CH2CH3
D. (CH3)2CHCOOH
2．某有機(jī)物A的質(zhì)譜圖、核磁共振氫譜圖如下，則A的結(jié)構(gòu)簡式可能為( )
A．HCOOH B．CH3CH2CHO
C．CH3CH2OH D．CH2=CHOCH3
C
分離、提純
確定實(shí)驗(yàn)式
確定分子式
確定分子結(jié)構(gòu)
蒸餾、萃取、重結(jié)晶等
元素定量分析
質(zhì)譜法
李比希元素分析法
得到相對(duì)分子質(zhì)量
紅外光譜
核磁共振氫譜
X射線衍射
得到化學(xué)鍵和官能團(tuán)
得到氫的種類和比值
得到鍵長、鍵角等信息

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