Качественный функциональный анализ органических соединений

 

Предварительные исследования образца. Анализ начинают с описания внешнего вида вещества. При этом отмечают его однородность и цвет. Для твердых веществ определяют температуру плавления. Если интервал составляет более 3 ⁰C, то необходимо вещество перекристаллизовать. Для жидких веществ – определить показатель преломления.

Проба на сожжение (ТЯГА!). На крышку фарфорового тигля помещают 2-3 капли (0,5 г) исследуемого вещества. Крышку тигля постепенно вносят в верхнюю часть бесцветного пламени и следят за сжиганием вещества на небольшом огне, а затем крышку тигля сильно прокаливают. На основании наблюдений за характером горения вещества делают предположительное заключение о принадлежности его к какому–то классу соединений.

Если вещество сгорает коптящим пламенем с выделением сажи, то это указывает на присутствие ароматических или ацетиленовых соединений. Алифатические углеводороды горят светящим пламенем с небольшим образованием сажи. Вещества, содержащие кислород, горят голубоватым слабо светящимся пламенем. Несгораемый остаток, оставшийся на крышке тигля, свидетельствует о присутствии в веществе металла.

Определение растворимости. Исследование растворимости вещества в растворителях помогает определить наличие функциональных групп в образце. В пробирку помещают 2-3 капли жидкости или 0,1-0,5 г твердого вещества и постепенно прибавляют по каплям 0,3 мл растворителя, энергично взбалтывая. Растворение должно продолжаться не более 2-3 минут. Если вещество плохо растворяется при комнатной температуре, смесь осторожно нагревают до кипения.

В разбавленной соляной кислоте растворяются вещества основного характера (например, амины), в растворе гидрокарбоната – вещества сильнокислотные (карбоновые и сульфокислоты); а в щелочах – вещества кислого характера (кислоты, фенолы, меркаптаны).

В концентрированной серной кислоте растворение часто сопровождается разогреванием, изменением цвета раствора, что связано с химической реакцией между кислотой и веществом. Так реагируют многие кислородсодержащие вещества (эфиры, спирты). Серную кислоту наливают в пробирку (2-3 мл), а затем постепенно прибавляют исследуемое вещество, наблюдая за происходящими изменениями. Все наблюдения по растворимости вещества вносят в таблицу:

 

Т 0C	Вода	Растворы 5%-ные	H2SO4 (конц.)	Бензол	Диэтил. эфир
		NaOH	HCl	NaHСО3

Проба Бейльштейна на галогены

 

Медную проволоку длиной 10 см с петлей на конце прокаливают на пламени горелки до прекращения окрашивания пламени. Остывшую петлю, покрывшуюся черным налетом оксида меди (II), опускают в пробирку с 1-2 каплями испытуемого вещества, например хлороформа, и вновь вносят в пламя горелки. Немедленно появляется характерная ярко-зеленая окраска пламени.

При прокаливании оксид меди (II) окисляет углерод и водород органического вещества в СО₂ и Н₂О, медь же образует с галогеном летучие соединения, которые и окрашивают пламя горелки в зеленый цвет.

Химизм процесса:

 

2СНСl₃ + 5CuO = CuCl₂ + 4CuCl + 2CO₂ + H₂O

 

Этот способ качественного обнаружения галогена в органическом веществе был предложен в 1872 г. русским академиком Ф.Ф. Бейльштейном. Эта проба очень чувствительная, и положительный ее результат может быть обусловлен наличием в исследуемом веществе лишь следов примесей, содержащих галоген. Этим путем легко обнаруживается, например, хлор в слюне.

Фтор пробой Бейльштейна не обнаруживается, так как фторид меди не летуч.

 

Насыщенные углеводороды

Главной аналитической характеристикой этого класса органических соединений является их химическая инертность - отсутствие положительных реакций с такими реагентами как раствор брома, раствор перманганата калия и др.

 

Ненасыщенные углеводороды

Взаимодействие с бромом. Углеводороды, содержащие двойные или тройные связи, легко присоединяют бром, в результате чего наблюдается обесцвечивание реакционной смеси.

К раствору 0,2 г (или 1 мл) вещества в 2-3 мл хлороформа добавляют по каплям при встряхивании 5 %-ный раствор брома в хлороформа. Мгновенное исчезновение окраски свидетельствует о наличии кратной связи в веществе. Но раствор брома также обесцвечивается соединениями, содержащими подвижный водород (фенолы, ароматические амины). Однако при этом происходит реакция замещения с выделением бромоводорода, присутствие которого легко можно обнаружить с помощью влажной индикаторной бумажки. Кроме того, бром является активным окислителем илегко окисляющиеся органические соединения (например, альдегиды) также дают положительную пробу.

Проба с перманганатом калия. В слабо щелочной среде при действии перманганата калия происходит окисление вещества с разрывом кратной связи, раствор при этом обесцвечивается, и образуется хлопьевидный осадок оксида марганца (IV).

К 0,2 г (или 1 мл) вещества, растворенного в воде или ацетоне, добавляют по каплям при встряхивании 1 %-ный раствор перманганата калия. Происходит быстрое исчезновение малиновой окраски и появляется бурный осадок. Однако перманганат калия окисляет вещества других классов – альдегиды, многоатомные спирты, ароматические амины. При этом также обеспечиваются растворы, но окисление протекает большей частью значительно медленнее.

 

Ароматических соединения

Ароматические соединения в отличие от алифатических способны вступать в реакции замещения, образуя часто окрашенные соединения. Обычно для этого используют реакции нитрования и алкилирования.

Нитрование ароматических соединений. (ТЯГА!). Нитрование проводят азотной кислотой или нитрующей смесью. В пробирку помещают 0,2 г (или 2 мл) вещества и при непрерывном встряхивании постепенно прибавляют 3 мл нитрующей смеси (кон. серная и азотная кислоты в соотношении 1:1). Пробирку закрывают пробкой с длинной стеклянной трубкой, которая служит обратным холодильником, и нагревают на водяной бане 5 мин при 50 ⁰C. Смесь выливают в стакан с 10 г измельченного льда. Если при этом выпадает твердый продукт или масло, не растворимые в воде и отличающиеся от исходного вещества, то можно предположить присутствие ароматической системы.

Алкилирование ароматических соединений. Ароматические углеводороды и их галогенпроизводные дают при взаимодействии с хлороформом в присутствии хлорида алюминия продукты, окрашенные в яркие цвета (оранжевый, пурпурный, синий, зеленый).

В пробирку к 1-2 мл обезвоженного хлороформа прибавляют 0,2 г (или 2 мл) исследуемого вещества и смесь перемешивают. Затем осторожно вносят 0,5 г порошка безводного хлорида алюминия так, чтобы большая его часть осталась на стенках пробирки выше уровня жидкости. Наклоняя пробирку, слегка смачивают порошок хлорида алюминия. Появление яркой окраски на стенке пробирки, а также окрашивание всего раствора указывает на присутствие ароматической системы.

 

Алифатические спирты

При анализе спиртов используют реакции замещения как подвижного водорода в гидроксильной группе, так и всей гидроксильной группы.

Реакция с металлическим натрием. Спирты легко реагируют с натрием, образуя при этом алкоголяты, растворимые в воде:

В пробирку помещают 2-3 мл безводного исследуемого вещества и осторожно добавляют маленький кусочек металлического натрия. Выделение газа при растворении натрия указывает на присутствие активного водорода. Однако эту реакцию могут давать и другие органические соединения, проявляющие кислотный характер.