Transcript 质谱仪 - 攀枝花市十二中

第四节
研究有机化合物的一般步骤和方法
市十二中《高中化学新课程中多媒体设计与应用课题组》
思考：如何分离下列混合物？
1. NaCl和KCl
重结晶、过滤
2. CCl4和H2O 分液
3.
和
4. Br2和H2O
NO2
萃取
蒸馏
？
思考：
有 机 物
（纯净）
首先要确定有机物
中含有哪些元素
确定
分子式
如何用实验的方
法确定葡萄糖中
的元素组成？
如何利用实验的方法确定有机物中C、H、O各
元素的质量分数？
李比希法
现代元素分析法
分离提纯
的方法有
哪些？
一、研究有机化合物的基本步骤:
粗
产
品
除杂的方法
除杂的原则
是什么？
是什么？
分离
提纯
定性
分析
除
杂
质
确定
组成
元素
每一个操作步骤
是怎样完成的呢?
实验式或最简式
定量分析
质
量
分
析
测
定
分
子
量
分子式
结
构
分
析
结构
式
二、分离、提纯
1、蒸馏：利用混合物中各种成分的沸点不
同而使其分离的方法。如石油的分馏。
常用于分离提纯液态有机物。
条件：有机物热稳定性较强、含少量杂
质、与杂质沸点相差较大（30℃左右）
课本P.17实验1-1工业乙醇的蒸馏
含杂
工业
乙醇
蒸馏
无水乙醇
加CaO
工业乙醇
（99.5%
(95.6%)
质谱仪 蒸馏核磁共振仪
以上）
蒸
馏
烧
瓶
温度计
冷
凝
管
尾
接
管
热水
冷水
质谱仪
核磁共振仪
使用前要检查装置的气密性！
2、重结晶：
利用被提纯物质与杂质在同一溶剂中的溶解
度不同而将其杂质除去的方法。
关键：选择适当的溶剂
溶剂的条件：
（1）杂质在溶剂中的溶解度很小或很大；
（2）被提纯的有机物在此溶剂中的溶解度
受温度的影响较大。
例如：苯甲酸的重结晶
冷却
提纯
粗产品 热溶解 质谱仪
热过滤
结晶
产品
核磁共振仪
3、萃取：
• 原理：利用混合物中一种溶质在互不相溶
的两种溶剂中的溶解性不同，用一种溶剂
把溶质从它与另一种溶剂组成的溶液中提
取出来的方法。
• 主要仪器：分液漏斗
• 操作过程：
质谱仪
核磁共振仪
萃取包括：
(1)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。
(2)固—液萃取：是用有
机溶剂从固体物质中溶解
出有机物的过程。（专用
仪器设备）
质谱仪
[练习1]下列每组中各有三对物质，它们都能
用分液漏斗分离的是（
BD ）
A
乙酸乙酯和水，酒精和水，植物油和水
B
四氯化碳和水，溴苯和水，硝基苯和水
C
甘油和水，乙酸和水，乙酸和乙醇
D
汽油和水，苯和水，己烷和水
质谱仪
质谱仪
叶黄素
质谱仪
核磁共振仪
4、色谱法：阅读P.19
利用吸附剂对不同有机物吸附作用的不同，
分离、提纯有机物的方法叫色谱法。
俄国植物学家茨卫特
质谱仪
1906年，茨卫特在一根
玻璃管的细端塞上一小团
绵花，在管中充填碳酸钙
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
三段不同颜色：绿色、黄
色、黄绿色。再将碳酸钙
吸附柱取出，并用乙醇洗
脱，即得色素的溶液：叶
绿素、叶黄素、胡萝卜素。
德国化学家库恩
茨卫特的色谱
实验当时并未引起
人们的注意。直到
25年后的1931年，
德国化学家库恩在
分离、提纯、确定
胡萝卜素异构体和
维生素的结构中，
应用了色谱法，并
获得1938年诺贝尔
化学奖。
色谱法是化学家分离、提纯有机物不
可缺少的方法。
常用的吸附剂：碳酸钙、硅胶、氧化
铝、活性炭等。
根据物质在两相(气—液、液—液等)间
溶解性或吸附能力不同，分为纸上色谱法、
薄层色谱法、气相色谱法、液相色谱法等。
气相色谱仪
离子色谱仪
三聚氰胺分析仪(色谱法)
高效液相色谱仪
实践活动
用粉笔分离植物叶子中的色素
取5 g新鲜的菠菜叶(或其他绿色植
物的叶子)，用剪刀剪碎后放入研钵中，
加入10 mL无水乙醇或丙酮研磨成浆状，
过滤除去渣子，将滤液放入50 mL烧杯
中，再在烧杯中心垂直放置一根白粉
笔。约10 min后观察并记录实验现象。
三、元素分析与相对分子质量的确定
1.元素分析：李比希法→现代元素分析法
元素分析仪
化学史话 李比希对有机化合物结构的研究有什么贡献？
李比希法：定量测定有机物中
碳和氢元素含量的一种分析方法。
将准确称量的样品置于一燃烧管中，
再将其彻底燃烧成二氧化碳和水，用纯的
氧气流把它们分别赶入烧碱石棉剂（附在
石棉上粉碎的氢氧化钠）及高氯酸镁的吸
收管内，前者将排出的二氧化碳变为碳酸
钠，后者吸收水变为含有结晶水的高氯酸
镁，这两个吸收管增加的重量分别表示生
成的二氧化碳和水的重量，由此即可计算
样品中的碳和氢的含量。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。本法
的特点是碳氢分析在同一样品中进行，且
对仪器装置稍加改装后，即能连续检测其
德国化学家李比希（1803～1873）
他元素。
“李比希元素分析法”的原理：
取定量含C、 加氧化铜
H（O）的有
氧化
机物
H2O
计算O含量
得前后
CaCl2吸收 质量差
用KOH浓
CO2
得出实验式
用无水
溶液吸收
得前后
质量差
计算C、H含量
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单的整数比，即确定其实验式（又称为最简式）。
例1、5.8 g某有机物完全燃烧，生成CO2 13.2 g , H2O
5.4 g 。含有哪些元素? C3H6O
思考：能否直接确定该有机物的分子式?
实验式和分子式有何区别?
实验式和分子式的区别;
实验式：表示化合物分子中所含元素的原子数目最
简整数比的式子。
分子式：表示化合物所含元素的原子种类及数目的式
子,表示物质的真实组成。
例2、实验测得某碳氢化合物A中，含碳80%、含氢
20%，求该化合物的实验式。又测得该化合物的相对
分子质量是30，求该化合物的分子式。
答案：实验式是CH3，分子式是C2H6
确定有机化合物的分子式的方法：
[方法一] 由物质中各原子（元素）的质量分数
→ 各原子的个数比(实验式)→由相对分子质量
和实验式 → 有机物分子式
[方法二] 1 mol物质中各原子（元素）的质量除
以原子的摩尔质量→ 1 mol物质中的各种原子的
物质的量→知道一个分子中各种原子的个数 →
有机物分子式
[练习2]吗啡和海洛因都是严格查禁的毒品。吗啡分
子含C 71.58%、H 6.67%、N 4.91%、其余为O。已知
其分子量不超过300。
试求：⑴ 吗啡的分子量；⑵ 吗啡的分子式。
分析：可先假设分子中只含1个氮原子，可通过N的百分含
量和N的原子量，计算出吗啡的最小分子量。
解：吗啡最小分子量
，而又知吗啡分子量不超
过300，故可知吗啡分子量即为285。
一个吗啡分子中碳原子数为
氢原子数为
氧原子数为
为
氮原子数为1
故吗啡的分子式
[练习3]某含C、H、O三种元素组成的未知有机物
A，经燃烧分析实验测定该未知物中碳的质量分
数为52.16%，氢的质量分数为13.14%。
（1）试求该未知物A的实验式（分子中各原子的
最简单的整数比）。
C2H6O
（2）若要确定它的分子式，还需要什么条件？
相对分子质量
思考：确定相对分子质量的方法有哪些？
（1）M = m/n
（2）M1 = DM2 (D为相对密度)
（3）M = 22.4 L/mol ▪ρg/L=22.4 g/mol
(标况下气体)
2.质谱法 相对分子质量的确定——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。它是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。这些不同离子具
有不同的质量，质量不同的离子在磁场作用下达到检测器的
时间有差异，其结果被记录为质谱图。
有机物 高能电子束轰击 带电的 碎片的质荷比 确定
分子
结构
“碎片”
质荷比：碎片的相对质量（m）和所带电荷（e-）的比值
质谱法作用：测定相对分子质量
（由于分子离子的质荷比越大，达到检测器需要的时间最长，
因此谱图中的质荷比最大的就是未知物的相对分子质量）
核磁共振仪
质谱仪
核磁共振仪
乙醇的质谱图
31
100
/%
相
对
丰
度
80
+
CH2=OH
+
CH3CH2
+
CH3CH=OH
60
45
29
27
40
+
CH3CH2OH
20
46
0
20
30
40
50
质荷比
质谱仪
最大分子、离
子的质荷比越大，
达到检测器需要
的时间越长，因
此质谱图中的质
荷比最大的就是
未知物的相对分
子质量。
核磁共振仪
例3．2002年诺贝尔化学奖获得者的贡献之一是发明了
对有机物分子进行结构分析的质谱法。其方法是让极少
量的（10－9g）化合物通过质谱仪的离子化室使样品分
子大量离子化，少量分子碎裂成更小的离子。如C2H6离
子化后可得到C2H6＋、C2H5＋、C2H4＋……，然后测定其质
荷比。设H＋的质荷比为β，某有机物样品的质荷比如
右图所示（假设离子均带一个单位正电荷，信号强度与
该离子的多少有关），则该有机物可能是（
B）
A 甲醇
B 甲烷
C 丙烷
D 乙烯
质谱仪
核磁共振仪
[练习4]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：下图是该有机物的质谱图，则其相对分子质量
为（ 74 ），分子式为（ C4H10O ）。
质谱仪
核磁共振仪
四、分子结构的鉴定
①红外光谱
作用：获得分子中含有何种化学键或官能团的信息
氢原子种类不同（所
处的化学环境不同）
②核磁共振氢谱
特征峰也不同
作用：测定有机物分子中等效氢原子的类型和数目
1.红外光谱(IR)
当用红外线照射有机物时，分子中的化学
健或官能团可发生振动吸收，不同的化学键或
官能团吸收频率不同，在红外光谱图上将处于
不同位置，从而可以获得分子中含有何种化学
键或官能团的信息。
红外光谱仪
核磁共振仪
2、红外光谱的应用原理
核磁共振仪
1.红外光谱(IR)
红外光谱法确定有机物结构的原理是：
由于有机物中组成化学键、官能团的原子处于不
断振动状态，且振动频率与红外光的振动频谱相当。
所以，当用红外线照射有机物分子时，分子中的化学
键、官能团可发生震动吸收，不同的化学键、官能团
吸收频率不同，在红外光谱图中将处于不同位置。因
此，我们就可以根据红外光谱图，推知有机物含有哪
些化学键、官能团，以确定有机物的结构。
核磁共振仪
例4、下图是一种分子式为C4H8O2 的有机物的红外光
谱谱图,则该有机物的结构简式为：
CH3CH2COOCH3或CH3COOCH2CH3
不对称CH3
C=O
C—O—C
核磁共振仪
练习5：有一有机物的相对分子质量为74，确定分子结
构，请写出该分子的结构简式
CH3CH2OCH2CH3
对称CH3
对称CH2
C—O—C
核磁共振仪
核磁共振仪
2.核磁共振氢谱
核磁共振中的核指的是氢原子核。氢原子核
具有磁性，如用电磁波照射氢原子核，它能通过
共振吸收电磁波能量，发生跃迁。用核磁共振仪
可以记录到有关信号，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，在谱图上出
现的位置也不同。且吸收峰的面积与氢原子数成
正比。可以推知该有机物分子有几种不同类型的
氢原子及它们的数目多少。
核磁共振仪
结构分析：
核磁共振法 （H’—NMR）
作用：测定有机物中H 原子的种类 和数目
信
号
个
数
吸收峰数目＝氢原子类型
信号强度之比
峰
面
积
不同吸收峰的面积之比（强度之比）＝ 不同氢原子的个数之比
核磁共振仪
例5、分子式为C2H6O的两种有机化合物的1H核磁共振
谱，你能分辨出哪一幅是乙醇的1H-NMR谱图吗?
H
H
H
H—C—O—C—H
H
H
H
H—C—C—O—H
H
H
分子式为C2H6O的两种有机物的1H核磁共振谱图
核磁共振氢谱 核磁共振仪
[练习]
6.下图是某有机物的1H核磁共振谱图，则该有机
物可能是 ( C )
A. CH3CH2OH
B. CH3CH2CH2OH
C. CH3—O—CH3
D. CH3CHO
7.下列有机物在H’-NMR上只给出一组峰的是( A )
A、HCHO
B、CH3OH
C、HCOOH
D、CH3COOCH核磁共振仪
3
问题探究：1.下列有机物中有几种H原子
以及个数之比？
CH3
CH3-CH-CH3
CH3-C-CH3
CH3
CH3
２种；９∶１
１种
CH3-CH2-OH
３种；３∶２∶１
CH3-CH2-CH-CH3
CH3
４种；３∶２∶１∶６
核磁共振仪
2.分子式为C3H6O2的二元混合物，分离后,在核
磁共振氢谱上观察到氢原子给出的峰有两种情
况。第一种情况峰给出的强度为1︰1；第二种
情况峰给出的强度为3︰2︰1。由此推断混合
物的组成可能是（写结构简式）
。
3∶3
CH3COOCH3
3∶2∶1
CH3CH2COOH
HOCH2COCH3
HCOOCH2CH3
诺贝尔化学奖与物质结构分析(2002年)
引入了核磁共振光谱学观察到了DNA、
蛋白质等大分子的真面目。
美国
芬恩
日本
质谱仪
田中耕一
瑞士
维特里希
核磁共振仪
一、研究有机化合物的基本步骤
分离提纯→元素定量分析以确定实验式→测定相对分子质量以
确定分子式→波谱分析确定结构。
二、分离和提纯
1.蒸馏
2.重结晶
3.萃取
4.色谱法
三、元素分析与相对原子质量的测定
1.元素分析：李比希法→现代元素分析法
2.相对原子质量的测定—质谱法
四、有机物分子结构的鉴定
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。
1.物理方法：质谱法、红外光谱(IR)、紫外光谱、核磁共振氢
谱(H-NMR)。
核磁共振仪
质谱仪