Идентификация органических соединений

Если первичные испытания образца показали, что он летуч (имеет запах) и полностью сгорает при нагревании на воздухе (как мы нашли ранее при испытании образца № 2), то далее он становится объектом органического анализа. Выбор схемы анализа зависит в первую очередь от природы образца и конкретной цели анализа, а также от технической оснащенности лаборатории.

Современный способ анализа органического образца предполагает использование газожидкостной хроматографии, которая обеспечивает не только разделение смеси на компоненты, их качественную идентификацию, но и количественное определение. Еще большие возможности открывает сочетание хроматографии с масс-спектрометрией (хроматомасс-спектрометрия), позволяющее не только разделить, но и надежно идентифицировать индивидуальные составляющие сложных смесей. Применение этих современных методов возможно в хорошо технически оснащенных лабораториях.

Кроме хроматографии существует целый ряд методов, которые можно использовать для первичных испытаний и конечной идентификации органических соединений: измерения физических констант (температуры плавления и кипения, плотности, коэффициента преломления) и спектральных (на них мы остановимся в следующей главе). Подобные характеристики исследуемого вещества сравнивают с соответствующими справочными данными для известных соединений, что может быть выполнено с применением компьютеров и с высокой степенью автоматизации.

Испытание растворимости органических соединений может также принести большую пользу для их идентификации. Как известно, полярные соединения в целом лучше растворяются в полярных растворителях, а неполярные — в неполярных. На рис. 36.8 показано, как последовательное применение различных растворителей позволяет довольно просто определить, к какому классу относится испытуемое соединение, какие функциональные группы оно содержит.

Процентное содержание основных элементов в соединении, а иногда и его полный стехиометрический состав находят с помощью элементного анализа — качественного и количественного определения элементов-органогенов: С, Н, N, S, галогенов. Для этой цели предназначены специальные приборы — С-, Н-, N-анализаторы (рис. 36.9), использующие процедуру сжигания пробы и дальнейшего определения количеств полученной воды, углекислого газа и оставшегося азота методом газожидкостной хроматогра;

Рис. 36.8.

Рис. 36.9. Схема С-, Н-, N-анализатора:

1 — образец; 2 — печь (разрез); 3 — поглотитель паров воды; 4 — поглотитель диоксида углерода фии. Массовую долю кислорода обычно определяют как остаток после вычитания доли других элементов. Современные анализаторы снабжены компьютером и системой ввода проб.

Может, однако, оказаться, что компоненты смеси близки по свойствам и относятся к одному классу, но растворимости. Допустим, что мы разделили наш образец № 2 на два компонента и с некоторым удивлением обнаружили, что оба компонента имеют одинаковый элементный состав С₄Н₈0, а их спектральные характеристики свидетельствуют о присутствии в них карбонильной группы ^С=0. Их температуры кипения оказались равными 80 и 64 °C. Из справочника мы узнаем, что этим данным соответствуют изомерные карбонильные соединения метилэтилкетон СН₃СОСН₂СН₃ (Г_кнп = 79 °C, показатель преломления п"° = 1,3785, плотность d%° = 0,8054) и изомасляный альдегид (СН₃)₂СНСО (Н) (Г_кнп = 64,2°С, показатель преломления п™ = 1,3730, плотность d%° = 0,7904). Показатели преломления и плотности этих соединений очень близки, поэтому их измерение не может окончательно подтвердить предполагаемую идентификацию.

Надежно подтвердить наше предположение можно с помощью химических реакций на карбонильную группу, получив, например, 2,4-динитрофенил гидразоны:

Полученные таким образом производные соединения имеют сильно различающиеся температуры плавления, детально описаны в справочной литературе и могут быть использованы для идентификации исходных соединений хроматографическим методом.

В простейшем случае мы можем идентифицировать альдегид с помощью реакции с AgNO_s в водном растворе аммиака, приводящей к образованию блестящей пленки серебра на стенке сосуда (реакция серебряного зеркала):

или реакции со щелочным раствором CuSO^, дающей красный осадок Cu₇Q Оба этих реагента не взаимодействуют с кетонами.

С помощью реакции оксимирования — образования оксимов при взаимодействии с гидрохлоридом гидроксиламина — можно определить количество карбонильных групп С=0 в обоих соединениях:

Количество выделившегося хлороводорода определяют любым известным способом, например оттитровывают его раствором щелочи.

Резюме

В предыдущих главах при обсуждении свойств химических соединений мы пользовались данными об их составе и строении. В этой главе говорится о том, как получаются данные о составе. Его определяет химический анализ.

Практикум

Вопросы для самоконтроля

• 1. Для веществ, используемых в быту, иногда указывается не содержание примесей, а содержание основного вещества. К какой категории (ч., ч. д. а., х. ч., ос. ч.) вы отнесете поваренную соль, для которой указано, что «содержание основного вещества не менее 99%»?
• 2. Вам предстоит провести качественный и количественный анализ материала «Смесь сухофруктов для компота». В партии 100 мешков. Как вы проведете пробонодготовку: возьмете пробу из одного мешка, из всех или из нескольких? Какую массу пробы для количественного анализа вы сочтете представительной: 100 г, 1,00 кг, 10,00 кг?
• 3. Имеется два бесцветных раствора: один содержит катионы Ag⁺ и Мп²⁺, другой — катионы Na⁺ и К⁺. Необходимо определить, в каком растворе какие катионы, и доказать наличие именно этих катионов. Как вы считаете, для какого раствора анализ проще и почему?

Аналитические задания

• 1. Первое требование, которому должна удовлетворять аналитическая реакция, — это прохождение ее «до конца». В то же время в аналитической химии при точном определении концентрации слабых кислот широко используется метод титрования их растворов растворами щелочей, хотя ясно, что вследствие гидролиза образующихся солей такая реакция никак не может протекать до конца. Объясните это противоречие.
• 2. Поясните, почему при элементном анализе органических соединений непосредственно определяются количества углерода, водорода, азота, но не определяется количество кислорода в составе соединения.