三、研究有機(jī)化合物的一般方法

有機(jī)化合物主要有兩個來源：一是用化學(xué)方法進(jìn)行人工合成，二是從天然的動植物機(jī)體中獲得。不論是從哪個途徑得到的物質(zhì)，一般都含有雜質(zhì)。在研究有機(jī)化合物時，首要任務(wù)就是將其分離純化，保證達(dá)到應(yīng)有的純度。

1.分離純化

有機(jī)化合物的分離純化方法很多，根據(jù)不同的需要可選擇蒸餾、重結(jié)晶、升華以及色譜分離方法。

經(jīng)過分離純化的有機(jī)化合物還需要進(jìn)一步檢查其純度。純度檢測的方法主要有物理方法、化學(xué)分析法和色譜法。由于純的有機(jī)化合物的物理常數(shù)（如沸點(diǎn)、熔點(diǎn)、折光率、比旋光度）都有一定值，因此，通過測定相應(yīng)的物理常數(shù)即可確定其純度，但是，上述物理常數(shù)測定需要樣品量大。化學(xué)方法是通過化學(xué)反應(yīng)來分析有機(jī)物的結(jié)構(gòu)，該法操作較復(fù)雜，不易進(jìn)行。色譜法是利用不同化合物性質(zhì)的不同（如溶解能力、吸附能力、親和能力等），從而在固定相與流動相之間的分配不同而進(jìn)行分離、分析的，包括薄層色譜（TLC）、氣相色譜（GC）、液相色譜（LC）以及高效液相色譜（HPLC）等方法。隨著技術(shù)手段的不斷發(fā)展、完善，色譜技術(shù)由于其分析分離并用、分離效率高、分離速度快、處理樣品量可多可少、自動化程度高等特點(diǎn)在化合物的分離、純化和純度鑒定等方面的應(yīng)用越來越廣泛。

2.實(shí)驗(yàn)式和分子式的確定

有機(jī)元素是指在有機(jī)化合物中較為常見的碳、氫、氧、氮、硫、磷等元素。通過測定有機(jī)化合物中各元素的含量，可以確定化合物中各元素的組成比例，進(jìn)而得出化合物的實(shí)驗(yàn)式和分子式。有機(jī)物的元素定量分析最早是德國化學(xué)家李比希（Freiherr Justus von Liebig）創(chuàng)立的。目前，有機(jī)元素分析一般都采用自動化的有機(jī)元素分析儀，常用的檢測方法有：示差導(dǎo)熱法、反應(yīng)氣相色譜法、電量法（庫侖分析法）、電導(dǎo)分析法等。上述檢測方法可以同時測定多種元素，除此以外，還有定氮儀、氧/硫分析儀、鹵素分析儀等單個有機(jī)元素分析儀。

在元素定量分析的基礎(chǔ)上，將各元素的質(zhì)量百分含量除以相應(yīng)元素的相對原子質(zhì)量，求出該有機(jī)物中各元素原子的最小個數(shù)之比，即該有機(jī)物的實(shí)驗(yàn)式。實(shí)驗(yàn)式不能代表化合物的分子式，實(shí)驗(yàn)式僅僅表示的是分子中各元素原子的個數(shù)比，而非分子中真正所含的原子數(shù)目。只有測定出相對分子質(zhì)量后，才能確定化合物的分子式。分子式與實(shí)驗(yàn)式是倍數(shù)關(guān)系。

傳統(tǒng)上通常采用沸點(diǎn)升高或凝固點(diǎn)降低法等經(jīng)典物理化學(xué)方法測定有機(jī)化合物的相對分子質(zhì)量。現(xiàn)在采用的是高分辨率質(zhì)譜法（MS）。質(zhì)譜法的原理是待測化合物分子吸收能量（在離子源的電離室中）后產(chǎn)生電離，生成分子離子，分子離子由于具有較高的能量，會進(jìn)一步按化合物自身特有的碎裂規(guī)律分裂，生成一系列確定組成的不同質(zhì)量和電荷之比（質(zhì)荷比m/z）的帶電荷的離子，經(jīng)加速電場的作用，形成離子束，進(jìn)入質(zhì)量分析器。在質(zhì)量分析器中，再利用電場和磁場使發(fā)生相反的速度色散，將它們分別聚焦而得到質(zhì)譜圖，從而確定其質(zhì)量。質(zhì)譜中出現(xiàn)的離子有分子離子、同位素離子、碎片離子、重排離子、多電荷離子、亞穩(wěn)離子、負(fù)離子和離子-分子相互作用產(chǎn)生的離子。綜合分析這些離子，可以獲得化合物的分子量、化學(xué)結(jié)構(gòu)、裂解規(guī)律和由單分子分解形成的某些離子間存在的某種相互關(guān)系等信息。

3.結(jié)構(gòu)式的確定

有機(jī)化合物中廣泛存在著同分異構(gòu)現(xiàn)象，分子式相同而結(jié)構(gòu)式截然不同。有機(jī)化合物、有機(jī)反應(yīng)、反應(yīng)機(jī)理、合成方法等都能用結(jié)構(gòu)式來描述，從結(jié)構(gòu)式也可以推斷出該化合物的性質(zhì)。因此在確定了分子式之后，還必須確定結(jié)構(gòu)式。有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)式最早是用化學(xué)法測定：首先用有機(jī)化學(xué)反應(yīng)確定化合物分子中含有的官能團(tuán)；然后再用降解反應(yīng)初步確定其結(jié)構(gòu)；最后再用合成的方法在實(shí)驗(yàn)室制備該化合物。用化學(xué)法測定化合物的結(jié)構(gòu)往往是十分繁瑣復(fù)雜的工作，而且在化學(xué)變化中往往會發(fā)生意想不到的變化，從而給結(jié)構(gòu)的測定帶來困難。如嗎啡（C17H19NO3）從1803年第一次被提純，至1952年弄清楚其結(jié)構(gòu)，其間經(jīng)過了150年；膽固醇（C27H46O）結(jié)構(gòu)的測定經(jīng)歷了40年，而所得結(jié)果經(jīng)X-射線衍射發(fā)現(xiàn)還有某些錯誤。

測定有機(jī)物結(jié)構(gòu)的波譜法，是20世紀(jì)50～60年代發(fā)展起來的現(xiàn)代物理實(shí)驗(yàn)方法。波譜法的應(yīng)用使有機(jī)物結(jié)構(gòu)測定、純度分析等既快速準(zhǔn)確，又用量極少，一般只需1～100mg，甚至10-9g也能給出化合物的結(jié)構(gòu)信息，并且在較短的時間內(nèi)，經(jīng)過簡便的操作，就可獲得正確的結(jié)構(gòu)。有機(jī)物的結(jié)構(gòu)測定常用到四大譜圖：紫外光譜（UV，ultraviolet spectrum）、紅外光譜（IR，infrared spectrum）、核磁共振譜（NMR，nuclear magnetic resonance）和質(zhì)譜（MS，mass spectrum）。

UV、IR、NMR譜都是由一定頻率的電磁波與分子或原子中某些能級間的相互作用而產(chǎn)生的。因此，波譜學(xué)是研究光與物質(zhì)相互作用的科學(xué)。光與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生電子光譜（UV）、分子的振轉(zhuǎn)光譜（IR）及原子核的磁共振譜（NMR）。

紫外光譜法是研究物質(zhì)在紫外-可見區(qū)（200～800nm）分子吸收光譜的分析方法。是由分子的外層電子躍遷產(chǎn)生的，紫外光譜主要反映分子中不飽和基團(tuán)的性質(zhì)，適用于研究具有不飽和雙鍵系統(tǒng)的分子。它的譜形簡單，吸收峰寬且呈帶狀。根據(jù)最大吸收峰位及強(qiáng)度判斷共軛體系的類型，識別分子中的不飽和系統(tǒng)，而且還可以測定不飽和化合物的含量。定性分析主要根據(jù)吸收光譜圖上的特征吸收，如最大吸收波長、強(qiáng)度和吸收系數(shù)，定量分析主要根據(jù)朗伯-比爾（Lambert-Beer）定律，即物質(zhì)在一定波長處的吸收度與濃度之間有線性關(guān)系。

紅外吸收光譜系指2.5～25μm（4000～400cm-1）的紅外光與物質(zhì)的分子相互作用時，在其能量與分子的振-轉(zhuǎn)能量差相當(dāng)?shù)那闆r下，能引起分子由低能態(tài)過渡到高能態(tài)，即所謂的能級躍遷，結(jié)果某些特定波長的紅外光被物質(zhì)的分子吸收。記錄在不同的波長處物質(zhì)對紅外光的吸收強(qiáng)度，就得到了物質(zhì)的紅外吸收光譜。由于不同物質(zhì)具有不同的分子結(jié)構(gòu)，就會吸收不同波長的紅外光而產(chǎn)生相應(yīng)的紅外吸收光譜。因此，在物質(zhì)的定性鑒別和結(jié)構(gòu)分析中，常根據(jù)其特征吸收峰的位置、數(shù)目、相對強(qiáng)度和形狀（峰寬）等參數(shù)，推斷有機(jī)分子中存在的基團(tuán)。

在合適頻率的射頻作用下，引起有磁矩的原子核發(fā)生核自旋能級躍遷的現(xiàn)象，稱為核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR）。根據(jù)核磁共振原理，在核磁共振儀上測得的圖譜，稱為核磁共振波譜（NMR spectrum）。利用核磁共振波譜進(jìn)行結(jié)構(gòu)鑒定的方法，稱為核磁共振波譜法（NMR spectroscopy）。核磁共振波譜法在有機(jī)物的結(jié)構(gòu)鑒定中，起著舉足輕重的作用，包括氫核磁共振譜（1H-NMR）和碳核磁共振譜（13C-NMR）。

1H-NMR譜是目前研究最充分的波譜，從中可以得到三方面的結(jié)構(gòu)信息：①從化學(xué)位移可判斷分子中存在質(zhì)子的類型（如：—CH3、—CH2—、Ar—H、—OH、—CHO等）、質(zhì)子的化學(xué)環(huán)境和磁環(huán)境。②從積分值可以確定每種基團(tuán)中質(zhì)子的相對數(shù)目。③從偶合裂分情況可判斷質(zhì)子與質(zhì)子之間的關(guān)系。

目前常規(guī)的13C-NMR譜是采用全氫去偶脈沖序列而測定的全氫去偶譜，該譜圖較氫偶合譜不但檢測靈敏度大大提高，一般情況下每個碳原子對應(yīng)一個譜峰，譜圖相對簡化，便于解析。

13C-NMR譜與1H-NMR譜相比，最大的優(yōu)點(diǎn)是化學(xué)位移分布范圍寬，一般有機(jī)化合物化學(xué)位移范圍可達(dá)0～200ppm，相對不太復(fù)雜的不對稱分子，常可檢測到每個碳原子的吸收峰（包括季碳），從而得到豐富的碳骨架信息，對于含碳較多的有機(jī)化合物，具有很好的鑒定意義。

現(xiàn)在，化學(xué)方法基本上被物理實(shí)驗(yàn)方法所取代，現(xiàn)代的教科書、文獻(xiàn)、論文中化合物的結(jié)構(gòu)均以波譜數(shù)據(jù)為依據(jù)，正如熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、折光率等作為每個化合物的重要物理常數(shù)一樣的普遍，而且更加重要。波譜法實(shí)驗(yàn)方法的應(yīng)用推動了有機(jī)化學(xué)的飛速發(fā)展，已成為研究有機(jī)化學(xué)不可缺少的工具。