第一章 认识有机化合物.docx

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第一章认识有机化合物

第一章认识有机化合物

第一节有机化合物的分类

【有机化学及其发展史】

★★——有机化合物的概念

绝大多数的含碳化合物都是有机化合物，简称有机物。

有机化学就是一门研究有机化合物的组成、结构、性质、制备方法与应用的科学

（1以是否含有碳元素为标准来划分有机物和无机物的物质分类方法有一定的局限性，如CO、CO2、碳酸、碳酸盐、金属碳化物、氰化物等物质，虽然含有碳元素，但它们的组成和性质跟无机物很相近，一般将它们视为无机物。

因此，有机物一定含有碳元素，但含碳元素的物质不一定是有机物

（2判断一种物质是否是有机物，不仅要看它是否含有碳元素，还要看其组成和结构。

除了上述列举的含碳无机物外，其他的含碳物质一般为有机物

★★——有机化合物的特点

（1种类繁多

（2绝大多数热稳定性差，易燃烧（CCl4等除外）

（3绝大多数属于非电解质（CH3COOH等除外）

（4大多数易溶于有机溶剂，难溶于水

（5多数反应速率比较慢。

为了加快反应速率，往往需要加热、光照或使用催化剂

（6反应复杂，副反应多。

（有机反应方程式用“→”而不用“”）

★★——有机化学的发展

3000多年前，我们的祖先用煤作为燃料

2000多年前，掌握石油和天然气的开采技术

1000多年前，从植物中提取染料、药物和香料等

18世纪，人们对天然有机化合物进行了广泛而具体的提取工作，获得了大量的有机化合物

1806年，瑞典化学家贝采利乌斯首先提出“有机化学”和“有机化合物”这两个概念，从此有机化学成为了化学的一个分支学科

1828年，贝采利乌斯的学生维勒首先在实验室里制得了有机化合物尿素[CO（NH2）2]，打破了无机物和有机物的界限

德国化学家李比希创立了有机化合物的定量分析法

1848年-1874年，关于碳的价键、碳原子的空间结构等理论逐渐趋于完善，之后建立了官能团体系，使有机化学成为一门较完整的学科

第二节有机化合物的结构特点

【有机化合物中碳原子的成键特点】

第四节研究有机化合物的一般步骤和方法

【研究有机化合物的一般步骤】

1、分离提纯：

研究一种新的有机化合物首先要将它分离提纯，保证达到应有的纯度。

分离提纯的方法包括：

重结晶、升华、蒸馏、层析法以及离子交换法

2、纯度的检验：

纯的有机化合物有固定的物理常数，如熔点、沸点、密度、折射率等

3、实验式和分子式的确定：

a.进行元素定性分析，找出组成中存在哪些元素；b.进行元素定量分析，找出各种原子的相对数目，即决定经验式（实验式）；c.测定相对分子质量，确定各种原子的确实数目，给出分子式

4、结构的确定：

根据红外光谱、紫外光谱、核磁共振普等确定结构

5、人工合成

【有机化合物的分离和提纯】

分离和提纯不同，分离是把混合物分成几种纯净物，提纯是除去杂质。

除杂三原则：

不增（新物质），不减（被提纯物质），方法简单易操作

★★——蒸馏法

蒸馏是利用液体混合物中各组分沸点不同，将它们分离开来的方法。

蒸馏过程包括对液体加热汽化为蒸汽和将气体冷凝为液体两个环节。

蒸馏适用于分离液体混合物。

将液体混合物加热，随着温度的升高，较低沸点的组分先汽化、冷凝，较高沸点的组分后汽化、冷凝，这样即可将液体混合物中的各组分分离开来

（1若要通过蒸馏彻底分离液体混合物中的各组分，组分之间要有足够大的沸点差，否则分离出来的组分还是由沸点相近的物质组成的混合物；混合物中的被提纯物质要有较强的热稳定性，否则在加热的过程中被提纯的物质会转化为别的物质

（2若要对沸点相近的互溶液体混合物（甚至沸点仅相差1-2oC）进行分离就要进行精馏。

精馏也叫分馏，是在一个设备内同时进行多次部分汽化和部分冷凝来分离液体混合物的方法。

精馏能使液体混合物实现比较完全的分离，从而获得高纯度的物质

（3当某两种或三种液体以一定比例混合，可组成具有固定沸点的混合物，将这种混合物加热至沸腾时，在气液平衡体系中，气相组成和液相组成一样，故不能用蒸馏法将其分离开来，只能得到按一定比例组成的混合物，这种混合物称为共沸混合物或恒沸混合物

（4蒸馏是分离、提纯液体有机物的常用方法。

当液态有机物中含有少量杂质，而且该有机物的热稳定性较强，与杂质的沸点相差较大（一般约大于30oC），就可以用蒸馏法提纯此液体物质

（5工业乙醇含有水、甲醇等杂质。

在常压下，水的沸点为100oC，乙醇的沸点为78.5oC，甲醇的沸点为65oC。

将该工业乙醇进行分馏，就可以分离出质量分数为95.6%的乙醇。

将质量分数95.6%的乙醇加入生石灰后再进行蒸馏，可制得质量分数为99.5%的乙醇（无水乙醇）

▶烧瓶中加入少量沸石（或碎瓷片），使液体平稳沸腾，防止暴沸

▶蒸馏烧瓶中装入液体体积以1/2容积左右为宜，不能超过2/3

▶蒸馏装置中，温度计的感温泡要置于蒸馏烧瓶的支管口处；冷凝水从冷凝管的下口进，上口出

★★——重结晶法

使晶体的溶液在加热或自然条件下不断蒸发溶剂，当溶剂减少到一定程度后，溶质成为晶体析出，这一过程叫做结晶；当一种溶剂溶解着两种或多种晶体时，结晶得到的晶体往往不纯。

将结晶得到的晶体重新溶于溶剂后再进行结晶叫做重结晶

在物质的分离中，结晶适用于分离晶体或晶体的溶液，通过结晶分离物质的方法叫做结晶法；通过重结晶分离物质的方法叫做重结晶法

（1对溶解度受温度变化影响相当大的晶体，一般采用冷却饱和溶液的方法得到晶体（降温结晶法）；对溶解度受温度变化影响不大的晶体，一般采用蒸发溶剂的方法得到晶体（蒸发溶剂法）

（2苯甲酸通常为熔点122.4oC。

在水中的溶解度：

0.17g（25oC），0.95g（50oC），6.8g（95oC）。

将粗苯甲酸溶于适量的蒸馏水，边搅拌边加热，使粗苯甲酸溶解。

将粗苯甲酸趁热过滤，使滤液漏入适量的冷水中。

将溶液静置，使其慢慢冷却结晶，过滤，即得苯甲酸晶体

▶重结晶操作时对溶剂选择的条件：

a.不与被提纯物质发生化学反应；

b.在较高温度时能溶解大量的被提纯物质，而在室温或更低温度时只能溶解很少量的被提纯物质

c.对杂质的溶解度非常大或非常小（前一种情况是使杂质留在母液中不随被提纯物晶体一同析出，后一种情况是使杂质在热过滤时被滤去）

d.容易挥发（溶剂的沸点较低），易结晶分离出去

e.能结出较好的晶体

▶热过滤的目的是出去不溶性杂质。

为了尽量减少过滤过程中晶体的损失，操作时应做到：

仪器热（将所用仪器用烘箱或气流烘干器烘热待用）、溶液热、动作快，以免液体或仪器冷却后，晶体过早地在漏斗中析出。

如发生此现象，应用少量热溶剂洗涤，使晶体溶解进入到滤液中。

如果晶体在漏斗中析出太多，应重新加热溶解再进行热过滤

★★——萃取

液-液萃取是利用有机物在两种互不相溶的溶剂中的溶解性不同，将有机物从一种溶剂转移到另一种溶剂的过程。

固-液萃取是利用有机溶剂从固体物质中溶解出有机物的过程

▶分液漏斗是液-液萃取操作常用的玻璃仪器：

a.分液漏斗在使用前要检查是否漏水

b.分液时打开活塞，将下层液体从下口放出，然后关闭活塞，将上层液体从上口倒出

c.萃取后分液仍为混合物，宜再用蒸馏法分离

▶对萃取剂的要求：

与原溶剂互不混溶，不反应；溶质在其中的溶解度比在原溶剂中大，溶质不予萃取剂反应

a.常用的与水互不相溶的有机溶剂有乙醚、石油醚、二氯甲烷等

b.石油醚是多种烷烃组成的混合物，是一种常用的有机溶剂，为无色透明液体，有特殊的气味

★★——色谱法

色谱法又称层析法，是分离、提纯有机物不可缺少的方法

色谱法最先由俄国科学家茨维特用来分离、提纯织物色素。

他在一根玻璃管的细端塞上一小团棉花。

在管中填充碳酸钙粉末，让溶有绿色植物叶子色素的石油醚溶液自上而下地通过。

结果植物色素便被碳酸钙吸附，分成三段不同的颜色，上段为绿色，中段为黄色，下端为黄绿色。

他将碳酸钙吸附柱分段取出，并用乙醇洗脱，即得三种色素的溶液。

经分析三种色素分别为绿色的叶绿素，黄色的叶黄素，黄绿色的胡萝卜素。

茨维特把这种利用吸附剂对不同有机物吸附作用不同，分离、提纯有机物的方法叫做色谱法

常用的吸附剂有碳酸钙、硅胶、氧化铝、活性炭

【有机化合物组成的研究】

★★——元素分析

确定元素组成的常用方法有燃烧法、钠熔法、铜丝燃烧法及元素分析仪分析法

♦碳氢元素质量分数的测定最早是由李比希于1831年提出的。

其基本原理是利用氧化铜在高温下氧化仅含C、H、O元素的有机物生成水和二氧化碳，，然后分别用无水CaCl2和KOH浓溶液吸收水和二氧化碳，根据吸收前后质量的变化获得反应生成的水和二氧化碳的质量，从而确定有机化合物中碳和氢的质量分数

♦利用钠熔法可以确定有机物中是否含有氮、氯、溴、硫等元素。

其基本原理是将有机物样品与金属钠混合熔融，氮、氯、溴、硫等元素分别以氰化钠、氯化钠、溴化钠、硫化钠等形式存在，再用无机定性分析法测定

♦利用铜丝燃烧法可以确定卤素的存在。

将一根铜丝加热至红热，蘸上试样，放在火焰上灼烧，如存在卤素，火焰为绿色

♦元素分析仪工作原理：

在不断通入氧气流的条件下，把样品加热到950oC-1200oC，使之充分燃烧，再对燃烧产物进行自动分析。

元素分析仪分析速度快，所需样品质量少，可同时对碳、氢、氧、硫等多种元素进行分析，与计算机相连，可进行数据的存储和统计分析，并可根据要求完成各种形式的分析报告

1、元素的定性分析与定量分析

a.定性分析：

用化学方法鉴定有机物由哪些元素组成

b.定量分析：

将一定量的有机物燃烧，分解为简单的无机物，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整数比，即确定其实验式

2、元素的定量分析法

a.碳氢元素质量分数的测定：

最常用的是燃烧分析法。

将样品置于氧气流中燃烧，燃烧后生成的二氧化碳和水分别用碱液和吸水剂吸收，称重后即可分别计算出样品中碳、氢元素的质量分数

b.氮元素质量分数的测定：

将样品通入二氧化碳气流中，在氧化铜的催化下燃烧生成氮气，并借助二氧化碳气流将生成的气体赶出，经氢氧化钾浓溶液吸收二氧化碳气体后，测得剩余气体的体积，即可计算出样品中氮元素的质量分数

c.卤素质量分数的测得：

将样品与硝酸银溶液及浓硝酸混合加热，此时卤素原子转化为卤素离子，并与硝酸银溶液作用生成了卤化银沉淀。

根据沉淀的质量，即可计算出样品中卤素的质量分数

★★——相对分子质量的测定：

质谱法

质谱是近代发展起来的快速、微量、精确测定相对分子质量的方法。

它是利用高能电子流等轰击样品分子，使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分子质量，它们在磁场的作用下达到检测器的时间因质量的不同而先后有别，其结果被记录为质谱图。

在质谱图中最大的离子质量就是有机物的相对分子质量

【有机物分子结构的鉴定】

★★——分子结构鉴定的常用方法

1、化学方法：

利用特征反应鉴定出官能团，再制备它的衍生物进一步确认

2、物理方法：

质谱、红外光谱、紫外光谱、核磁共振氢谱等

★★——红外光谱法

1、作用：

获得分子中含有何种化学键或官能团的信息

2、原理：

红外光谱是利用有机物分子中不同基团的特征吸收频率不同，测试并记录有机化合物对一定波长范围的红外光的吸收情况，从而可以初步判断该有机化合物中具有哪些基团

★★——1H核磁共振谱法（1H-NMR）

1、作用：

测定有机物分子中等效氢原子的类型和数目

2、原理：

有机物分子中的氢原子核所处的化学环境（及其附近的基团）不同，表现出的磁性就不同，代表核磁性特征的峰在核磁共振普图中横坐标的位置也就不同，且吸收峰的面积与氢原子数成正比。

因此，从1H核磁共振谱图可以推知该有机物分子中有几种不同类型的氢原子及他们的数目。

1H核磁共振谱图反映的是等效氢原子的种类，等效氢原子的种类反映的是分子的对称性，反之亦然

a.核磁共振普中特征峰的种数对应于有机物中化学环境不同的氢原子数

b.核磁共振普中特征峰的强度之比等于这些特征峰对应的该有机物中化学环境不同的氢原子的个数之比

利用质谱仪确定有机物的相对分子质量，利用红外光谱可知有机物中含有的化学键或官能团的种类，利用核磁共振氢谱可知有机物中氢原子的种类，三者结合可推测有机物的结构

【确定有机物分子式的一般方法】