三、研究有机化合物的一般方法

有机化合物主要有两个来源：一是用化学方法进行人工合成，二是从天然的动植物机体中获得。不论是从哪个途径得到的物质，一般都含有杂质。在研究有机化合物时，首要任务就是将其分离纯化，保证达到应有的纯度。

1.分离纯化

有机化合物的分离纯化方法很多，根据不同的需要可选择蒸馏、重结晶、升华以及色谱分离方法。

经过分离纯化的有机化合物还需要进一步检查其纯度。纯度检测的方法主要有物理方法、化学分析法和色谱法。由于纯的有机化合物的物理常数（如沸点、熔点、折光率、比旋光度）都有一定值，因此，通过测定相应的物理常数即可确定其纯度，但是，上述物理常数测定需要样品量大。化学方法是通过化学反应来分析有机物的结构，该法操作较复杂，不易进行。色谱法是利用不同化合物性质的不同（如溶解能力、吸附能力、亲和能力等），从而在固定相与流动相之间的分配不同而进行分离、分析的，包括薄层色谱（TLC）、气相色谱（GC）、液相色谱（LC）以及高效液相色谱（HPLC）等方法。随着技术手段的不断发展、完善，色谱技术由于其分析分离并用、分离效率高、分离速度快、处理样品量可多可少、自动化程度高等特点在化合物的分离、纯化和纯度鉴定等方面的应用越来越广泛。

2.实验式和分子式的确定

有机元素是指在有机化合物中较为常见的碳、氢、氧、氮、硫、磷等元素。通过测定有机化合物中各元素的含量，可以确定化合物中各元素的组成比例，进而得出化合物的实验式和分子式。有机物的元素定量分析最早是德国化学家李比希（Freiherr Justus von Liebig）创立的。目前，有机元素分析一般都采用自动化的有机元素分析仪，常用的检测方法有：示差导热法、反应气相色谱法、电量法（库仑分析法）、电导分析法等。上述检测方法可以同时测定多种元素，除此以外，还有定氮仪、氧/硫分析仪、卤素分析仪等单个有机元素分析仪。

在元素定量分析的基础上，将各元素的质量百分含量除以相应元素的相对原子质量，求出该有机物中各元素原子的最小个数之比，即该有机物的实验式。实验式不能代表化合物的分子式，实验式仅仅表示的是分子中各元素原子的个数比，而非分子中真正所含的原子数目。只有测定出相对分子质量后，才能确定化合物的分子式。分子式与实验式是倍数关系。

传统上通常采用沸点升高或凝固点降低法等经典物理化学方法测定有机化合物的相对分子质量。现在采用的是高分辨率质谱法（MS）。质谱法的原理是待测化合物分子吸收能量（在离子源的电离室中）后产生电离，生成分子离子，分子离子由于具有较高的能量，会进一步按化合物自身特有的碎裂规律分裂，生成一系列确定组成的不同质量和电荷之比（质荷比m/z）的带电荷的离子，经加速电场的作用，形成离子束，进入质量分析器。在质量分析器中，再利用电场和磁场使发生相反的速度色散，将它们分别聚焦而得到质谱图，从而确定其质量。质谱中出现的离子有分子离子、同位素离子、碎片离子、重排离子、多电荷离子、亚稳离子、负离子和离子-分子相互作用产生的离子。综合分析这些离子，可以获得化合物的分子量、化学结构、裂解规律和由单分子分解形成的某些离子间存在的某种相互关系等信息。

3.结构式的确定

有机化合物中广泛存在着同分异构现象，分子式相同而结构式截然不同。有机化合物、有机反应、反应机理、合成方法等都能用结构式来描述，从结构式也可以推断出该化合物的性质。因此在确定了分子式之后，还必须确定结构式。有机化合物的结构式最早是用化学法测定：首先用有机化学反应确定化合物分子中含有的官能团；然后再用降解反应初步确定其结构；最后再用合成的方法在实验室制备该化合物。用化学法测定化合物的结构往往是十分繁琐复杂的工作，而且在化学变化中往往会发生意想不到的变化，从而给结构的测定带来困难。如吗啡（C17H19NO3）从1803年第一次被提纯，至1952年弄清楚其结构，其间经过了150年；胆固醇（C27H46O）结构的测定经历了40年，而所得结果经X-射线衍射发现还有某些错误。

测定有机物结构的波谱法，是20世纪50～60年代发展起来的现代物理实验方法。波谱法的应用使有机物结构测定、纯度分析等既快速准确，又用量极少，一般只需1～100mg，甚至10-9g也能给出化合物的结构信息，并且在较短的时间内，经过简便的操作，就可获得正确的结构。有机物的结构测定常用到四大谱图：紫外光谱（UV，ultraviolet spectrum）、红外光谱（IR，infrared spectrum）、核磁共振谱（NMR，nuclear magnetic resonance）和质谱（MS，mass spectrum）。

UV、IR、NMR谱都是由一定频率的电磁波与分子或原子中某些能级间的相互作用而产生的。因此，波谱学是研究光与物质相互作用的科学。光与物质相互作用产生电子光谱（UV）、分子的振转光谱（IR）及原子核的磁共振谱（NMR）。

紫外光谱法是研究物质在紫外-可见区（200～800nm）分子吸收光谱的分析方法。是由分子的外层电子跃迁产生的，紫外光谱主要反映分子中不饱和基团的性质，适用于研究具有不饱和双键系统的分子。它的谱形简单，吸收峰宽且呈带状。根据最大吸收峰位及强度判断共轭体系的类型，识别分子中的不饱和系统，而且还可以测定不饱和化合物的含量。定性分析主要根据吸收光谱图上的特征吸收，如最大吸收波长、强度和吸收系数，定量分析主要根据朗伯-比尔（Lambert-Beer）定律，即物质在一定波长处的吸收度与浓度之间有线性关系。

红外吸收光谱系指2.5～25μm（4000～400cm-1）的红外光与物质的分子相互作用时，在其能量与分子的振-转能量差相当的情况下，能引起分子由低能态过渡到高能态，即所谓的能级跃迁，结果某些特定波长的红外光被物质的分子吸收。记录在不同的波长处物质对红外光的吸收强度，就得到了物质的红外吸收光谱。由于不同物质具有不同的分子结构，就会吸收不同波长的红外光而产生相应的红外吸收光谱。因此，在物质的定性鉴别和结构分析中，常根据其特征吸收峰的位置、数目、相对强度和形状（峰宽）等参数，推断有机分子中存在的基团。

在合适频率的射频作用下，引起有磁矩的原子核发生核自旋能级跃迁的现象，称为核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR）。根据核磁共振原理，在核磁共振仪上测得的图谱，称为核磁共振波谱（NMR spectrum）。利用核磁共振波谱进行结构鉴定的方法，称为核磁共振波谱法（NMR spectroscopy）。核磁共振波谱法在有机物的结构鉴定中，起着举足轻重的作用，包括氢核磁共振谱（1H-NMR）和碳核磁共振谱（13C-NMR）。

1H-NMR谱是目前研究最充分的波谱，从中可以得到三方面的结构信息：①从化学位移可判断分子中存在质子的类型（如：—CH3、—CH2—、Ar—H、—OH、—CHO等）、质子的化学环境和磁环境。②从积分值可以确定每种基团中质子的相对数目。③从偶合裂分情况可判断质子与质子之间的关系。

目前常规的13C-NMR谱是采用全氢去偶脉冲序列而测定的全氢去偶谱，该谱图较氢偶合谱不但检测灵敏度大大提高，一般情况下每个碳原子对应一个谱峰，谱图相对简化，便于解析。

13C-NMR谱与1H-NMR谱相比，最大的优点是化学位移分布范围宽，一般有机化合物化学位移范围可达0～200ppm，相对不太复杂的不对称分子，常可检测到每个碳原子的吸收峰（包括季碳），从而得到丰富的碳骨架信息，对于含碳较多的有机化合物，具有很好的鉴定意义。

现在，化学方法基本上被物理实验方法所取代，现代的教科书、文献、论文中化合物的结构均以波谱数据为依据，正如熔点、沸点、折光率等作为每个化合物的重要物理常数一样的普遍，而且更加重要。波谱法实验方法的应用推动了有机化学的飞速发展，已成为研究有机化学不可缺少的工具。