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第一章 有机化合物的结构特点与研究方法
有机化合物实验式、分子式、
分子结构的确定
1、通过李比希定量分析法,熟练掌握有机化合物中C、H、O含量的测定方法,认识定量分析在科学研究中的重要价值。
2、通过了解现代仪器分析在有机化合物组成和结构分析中的应用,能依据质谱法判断有机物相对分子质量,能依据波谱分析数据推断简单有机化合物的分子结构。
3、知道红外光谱、核磁共振等现代仪器分析方法在有机物分子结构测定中的应用。
分离、提纯
确定实验式
确定分子式
确定分子结构
蒸馏、
萃取、
重结晶等
元素定量分析
质谱法
波谱分析：
质谱、红外光谱、
核磁共振氢谱、
X射线衍射等
研究有机化合物的基本步骤：
一、有机化合物实验式的确定
化学方法
定量分析
定性分析
确定有机物的元素组成
一般是将一定量的有机物燃烧，转化为简单的无机物
原理：通过无机物的质量推算出该有机物所含各元素的质量分数，然后计算出该有机物分子内各元素原子的最简整数比，确定其实验式（也称最简式）。
有机化合物的元素定量分析最早由德国化学家李比希提出。
（J·von Liebig，1803—1873）
燃烧法(李比希法)
某有机物完全燃烧后，若产物只有CO2和H2O ，其元素组成为_______________________。
李比希元素分析仪
如果碳与氢的百分含量相加达不到100%，而又检测不出其他元素，则差数就是氧的百分含量
肯定有C、H，可能有O
实验装置
李比希法
原理：
一定量有机物
[含C、H、(O)]
CuO
氧化
H2O
CO2
无水CaCl2吸收
浓KOH吸收
反应前后装置质量差
计算
C、H
元素
质量
用C、H、O元素原子个数比确定实验式
依据总质量减去C、H元素质量确定是否有O元素
图2 李比希简易装置图
【例1】含C、H、O三元素的未知物A，经燃烧分析实验测定该未知物中碳的质量分数为52.2%，氢的质量分数为13.1%。试求该未知物A的实验式。
（2）计算该有机化合物分子内各元素原子的个数比：
【解】
（1）计算该有机化合物中氧元素的质量分数：
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】该未知物A的实验式为C2H6O
李比希还建立了含氮、硫、卤素等有机化合物的元素定量分析方法，这些方法为现代元素定量分析奠定了基础。现在，元素定量分析使用现代化的元素分析仪分析的精确度和分析速度都达到了很高的水平。
现代化的元素分析仪
元素定量分析只能确定有机化合物分子中各组成原子的最简整数比，得到实验式。要确定它的分子式，还必须知道其相对分子质量。目前有许多测定相对分子质量的方法，质谱法是其中最精确而快捷的方法
质谱仪
质谱仪工作原理示意图
二.相对分子质量的测定—— 质谱法
有机物分子
确定相对分子质量
离子的质荷比
高能电子束
轰击
带正电荷的离子
磁场作用下先后
到达检测仪
质谱图
（较快速、精准的方法）
质谱仪
质谱图
未知物A的实验式为C2H6O，其质谱图中最右侧的分子离子峰（CH3CH2OH的信号）的质荷比数值为46，因此A的相对分子质量为46，由此可以推算出A的分子式也是C2H6O。
读数方法：相对分子质量＝最大质荷比＝最右边的分子离子峰
【例1】某有机物的结构确定：
(1)测定实验式：某含C、H、O三种元素的有机物，经燃烧分析实验测定其碳的质量分数是64.86%，氢的质量分数是13.51%，则其实验式是________。
C4H10O
(2)确定分子式：如图是该有机物的质谱图，则其相对分子质量为______；分子式为_________。
C4H10O
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（1）定义法：M = m / n
(5) 质谱法——测定相对分子质量的方法很多，质谱法是最精确、最快 捷的方法。
（3）标准状况密度法：已知标准状况下气体的密度ρ，求算摩尔质量。
M＝ρ×22.4 L·mol－1。
（2）根据有机物蒸气的相对密度 D
D =
=
思考：回顾所学知识，有哪些方法可以求相对分子质量？
（4）混合气体平均摩尔质量：
有机物A的分子式为C2H6O，你怎样确定有机物A是乙醇，还是二甲醚？
写出C2H6O可能的结构：

质谱图中的碎片峰对我们确定有机化合物的分子结构有一定帮助，但未知物A究竟是二甲醚还是乙醇？这还需要我们根据其他证据作出进一步推断。
1.红外光谱
应用：可获得分子中所含有的化学键或官能团的信息。
原理：
有机化合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，通过红外光谱仪的记录形成该有机化合物的红外光谱图。
简易红外光谱仪的结构示意图
红外光谱图
三、确定分子结构
从图中可以找到C—O、C—H和O—H的吸收峰，因此，可以初步推测该未知物A是含有羟基官能团的化合物，结构可表示为C2H5OH。
未知物A（化学式为C2H6O）的红外光谱图
2、核磁共振氢谱：
氢原子核具有磁性。处于不同化学环境中的氢原子因产生共振时吸收的频率不同，相应的信号在谱图中出现的位置也不同，具有不同的化学位移（用δ表示）
吸收峰的面积与氢原子数成正比
（1）原理
核磁共振仪
测定有机物中 H 原子的种类和数目
（2）读图技巧：
吸收峰数目＝氢原子种类（分子中等效H数）
峰面积之比 = 等效氢数目之比
未知物A的核磁共振氢谱
二甲醚的核磁共振氢谱
由未知物A（分子式为C2H6O ）的核磁共振氢谱图，可以判断
A的分子中有3中处于不同化学
环境的氢原子，个数比为3:2:1。
CH3OCH3（二甲醚）分子中的
6个氢原子的化学环境相同，对
应的核磁共振氢谱图中只有一个峰
未知物A的结构简式应该是CH3CH2OH，而不是CH3OCH3
3、X射线衍射谱
X射线是一种波长很短的电磁波（约10－10 m），它和晶体中的原子相互作用可以产生衍射图，
(1) 原理
可获得分子结构的有关数据，如键长、键角等，用于有机化合物晶体结构的测定
将X射线衍射技术用于有机化合物(特别是复杂的生物大分子)晶体结构的测定，可以获得更为直接而详尽的结构信息。
(2) 应用
确定有机物分子式(结构式)的一般思路
①C、H、O元素的质量或C、H、 O元素的质量比或C、H、 O元素的质量分数
②燃烧产物的物质的量或质量
①M= 22.4ρ(标准状况下)
②M= dMr
(d为相对密度，Mr为已知气体相对分子质量)
③质谱图
红外
光谱
核磁共振氢谱
X射线
衍射
根据同分
异构体
根据化学性质
求1 mol有机物中含各种元素原子的物质的量
有机物燃烧方程式、计算、讨论
分子式
结构式
实验式
相对分
子质量
1、有机化合物X的分子式为C4H8O2，其红外光谱如下图所示，则该有机化合物可能的结构为 (双选，填字母)。
A B
图中信息：①不对称—CH3 ②C=O ③C－O－C
A. CH3COOCH2CH3
B. CH3CH2COOCH3
C. HCOOCH2CH2CH3
D. (CH3)2CHCOOH
2．某有机物A的质谱图、核磁共振氢谱图如下，则A的结构简式可能为( )
A．HCOOH B．CH3CH2CHO
C．CH3CH2OH D．CH2=CHOCH3
C
分离、提纯
确定实验式
确定分子式
确定分子结构
蒸馏、萃取、重结晶等
元素定量分析
质谱法
李比希元素分析法
得到相对分子质量
红外光谱
核磁共振氢谱
X射线衍射
得到化学键和官能团
得到氢的种类和比值
得到键长、键角等信息

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