有機(jī)官能團(tuán)定量分析

　　有機(jī)官能團(tuán)指有機(jī)化合物中具有一定結(jié)構(gòu)特征的、能反映該化合物某些物理或化學(xué)特性的原子團(tuán)。有機(jī)官能團(tuán)定量分析分為化學(xué)法和儀器法。

　　化學(xué)法 　是利用官能團(tuán)的特征化學(xué)反應(yīng)，通過測(cè)量試劑的消耗量或反應(yīng)產(chǎn)物之一的生成量來進(jìn)行的。測(cè)量的物質(zhì)包括酸、堿、氧化劑、還原劑、水分、沉淀物、氣體或有色物質(zhì)等。常用的方法分為六類：

　　酸堿中和法 　有機(jī)酸或堿可直接用標(biāo)準(zhǔn)堿或酸溶液滴定(見酸堿滴定法)。由于有機(jī)物在水中溶解度小，且酸堿性較弱，滴定一般在非水介質(zhì)中進(jìn)行(見非水滴定)。例如，測(cè)定有機(jī)弱堿時(shí)，在冰醋酸中以高氯酸溶液滴定，用指示劑（如甲基紫）或電位法指示終點(diǎn)；測(cè)定有機(jī)弱酸時(shí)，在正丁胺、乙二胺或苯－甲醇中以甲醇鈉溶液滴定，用指示劑（如偶氮紫）或電位法指示終點(diǎn)。用酸堿滴定法測(cè)定官能團(tuán)操作簡便易行，因此應(yīng)用較廣。有些不能直接滴定的官能團(tuán)，可借助化學(xué)反應(yīng)，滴定消耗或生成的酸或堿來間接測(cè)定。

　　氧化還原法 　用得最多的是碘量法，其優(yōu)點(diǎn)是終點(diǎn)敏銳，具有化學(xué)倍增效應(yīng)（見倍增反應(yīng) ），因此精確度較高，并且適于微量分析。例如，測(cè)定甲氧基時(shí)可利用下列反應(yīng)： ROCH3+HI─→CH3I+ROH

CH3I+5HI+3Br2─→CH3Br+3HBr+3I2

式中R為烷基?？梢?當(dāng)量甲氧基相當(dāng) 6當(dāng)量碘。由于碘量法有這些優(yōu)點(diǎn)，除了一些直接可氧化或還原的官能團(tuán)能采用此法外，也可借助某些取代反應(yīng)、鹵素加成反應(yīng)或置換反應(yīng)，用碘量法間接測(cè)定有機(jī)官能團(tuán)。常用的還原滴定法是亞鈦鹽滴定法，如用亞鈦鹽溶液滴定硝基、亞硝基等。

　　滴定測(cè)水法 　可以借助測(cè)量某些官能團(tuán)在化學(xué)反應(yīng)中所消耗或產(chǎn)生的水分來測(cè)定這些官能團(tuán)。測(cè)定溶液中水分的方法是卡爾·費(fèi)歇爾滴定。滴定測(cè)水法分析有機(jī)官能團(tuán)時(shí)，在某些情況下有些特殊優(yōu)點(diǎn)。例如，用此法經(jīng)水解反應(yīng)測(cè)酸酐時(shí)，可在有游離酸、無機(jī)酸、緩沖鹽或酯類共存時(shí)測(cè)定；又如，腈化物一般不易借助通常的皂化法測(cè)定，但是在三氟化硼催化下很容易水解，滴定反應(yīng)后殘余的水量，即可測(cè)知氰基含量。

　　形成沉淀法 　有機(jī)物與某些沉淀劑在一定條件下反應(yīng)，形成難溶產(chǎn)物，可以利用這些沉淀劑來確定有機(jī)官能團(tuán)。例如, 在水溶液中用四苯硼化鈉(C6H5)4BNa沉淀季銨鹽： R4N+Cl-+(C6H5)4BNa─→R4NB(C6H5)4↓+NaCl

利用沉淀反應(yīng)測(cè)定有機(jī)官能團(tuán)時(shí)，常用重量分析和沉淀滴定法。在重量分析中，過濾收集沉淀，經(jīng)干燥后稱量。例如，上述的季銨鹽沉淀可在105°C干燥后稱量,從而計(jì)算出季銨鹽含量。又如,在甲醇溶液中制備2,4－二硝基苯腙沉淀，洗滌后在75°C干燥稱量，從而可測(cè)出羰基含量。在沉淀滴定法中，用沉淀劑配成標(biāo)準(zhǔn)溶液，直接滴定樣品,以電位法、電流法或電導(dǎo)法確定終點(diǎn)。例如,某些植物堿鹽類可以在水溶液中直接用四苯硼化鈉的溶液進(jìn)行電位滴定（見電位滴定法）。

　　氣體測(cè)量法 　一些有機(jī)官能團(tuán)，可以借助測(cè)量化學(xué)反應(yīng)中產(chǎn)生或消耗的氣體來測(cè)定。氣體的測(cè)量可以采用恒壓下測(cè)量物體體積的變化或恒容下測(cè)量氣體壓力的變化。例如，脂肪伯氨基與亞硝酸作用析出氮?dú)?，將氮?dú)庥枚趸甲鬏d氣送入盛有濃氫氧化鉀溶液的量氮計(jì)中，二氧化碳被吸收而氮?dú)鈩t收集于量氣管中，由它的體積即可算出試樣中伯氨基含量： R-NH2+HONO─→ROH+N2↑+H2O

這就是范斯萊克法測(cè)定 α－氨基酸的原理。不飽和鍵可借助催化氫化反應(yīng)中氫的消耗量測(cè)定。

　　比色法 靈敏度和專一性都較高，適于痕量分析。例如，用2，6－二氯苯醌氯亞胺與酚反應(yīng)顯色，可測(cè)定0.01ppm含量的酚；又如用變色酸以比色法測(cè)定甲醛,其他醛、酮無干擾。有機(jī)官能團(tuán)的顯色反應(yīng)包括：①形成含發(fā)色團(tuán)產(chǎn)物的縮合反應(yīng)，例如引入偶氮基的偶聯(lián)反應(yīng)、引入多硝基苯環(huán)的反應(yīng)、引入醌式結(jié)構(gòu)反應(yīng)等；②形成有色產(chǎn)物的氧化還原反應(yīng)，例如無色四唑鹽與還原性有機(jī)官能團(tuán)反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為有色甲；③與金屬離子形成有色絡(luò)合物的反應(yīng),例如酯基轉(zhuǎn)化為羥肟酸后,遇Fe3+形成紅色絡(luò)合物，可借此用比色法測(cè)定酯基（見比色法）。

　　儀器法 　紫外-可見分光光度法 　凡分子中含有共軛不飽和鍵或芳環(huán)的有機(jī)化合物，在紫外區(qū)（200～400納米）均有特征吸收。在此波長下，按照朗伯－比爾定律,樣品溶液的吸收強(qiáng)度與其濃度成正比,即A＝εbc,式中A為吸光度；ε為摩爾吸光系數(shù);b為吸收層厚度;c為溶液濃度，據(jù)此可進(jìn)行定量測(cè)定。將基準(zhǔn)物質(zhì)配成一系列不同濃度的溶液，分別測(cè)出其吸光度，繪制吸光度－濃度工作曲線，即可對(duì)照分析未知樣品。為了克服共存雜質(zhì)的干擾，可采用雙波長分光光度計(jì)。溶液在兩個(gè)波長下吸光度的差值 ΔA 與其濃度成正比，若選擇兩個(gè)波長，使雜質(zhì)的ΔA為零，樣品的ΔA有相當(dāng)大的數(shù)值，繪制吸光度差值－濃度工作曲線進(jìn)行定量分析，即可消除雜質(zhì)干擾。若以波長為vλ和vλ+Δvλ（Δvλ＝1～2納米）同時(shí)進(jìn)行掃描，即得到一級(jí)導(dǎo)數(shù)光譜，即吸收對(duì)波長變化率的曲線（dA/dvλ-vλ曲線）。 dA/dvλ與溶液濃度成正比，所以可以借導(dǎo)數(shù)光譜進(jìn)行定量分析。其優(yōu)點(diǎn)在于能使與樣品吸收峰相重疊的雜質(zhì)峰得以分開，避免干擾；寬平的吸收峰在導(dǎo)數(shù)光譜中為陡窄的吸收峰，便于精確定位。例如用導(dǎo)數(shù)光譜法測(cè)定廢水中的苯酚時(shí)，混濁廢水的背景吸收可以消除（見紫外-可見分光光度法）。

　　紅外光譜儀法 有機(jī)官能團(tuán)都有特征的紅外吸收, 例如酮基的特征吸收在1725～1700厘米-1,甲基的在1385～1370厘米-1。在特征吸收處，按照朗伯-比爾定律可以對(duì)該官能團(tuán)進(jìn)行紅外光譜儀測(cè)定。為了掃除背景吸收,A的測(cè)量一般采用基線法, 以與吸收峰肩相切的線為基線，峰頂至基線的距離為 A值。測(cè)量紅外光譜儀時(shí)常用油糊法或溴化鉀壓片法。為了克服每次樣品厚度難以精確測(cè)量的困難，往往采用內(nèi)標(biāo)法，即在樣品中混入一定量的內(nèi)標(biāo)物，由下列關(guān)系可以求出樣品濃度： ?

式中A1、A2、ε1、ε2、c1、c2分別為內(nèi)標(biāo)物和樣品的吸光度、摩爾吸光系數(shù)、溶液濃度。利用這個(gè)方法可測(cè)得二元共聚物各組分的相對(duì)含量。分析復(fù)雜混合物時(shí)可采用傅里葉變換紅外光譜儀法(FTIR)與色譜法聯(lián)用技術(shù)。FTIR的基本原理是采用干涉儀獲得紅外吸收干涉圖，經(jīng)傅里葉變換和電子計(jì)算機(jī)運(yùn)算變?yōu)槌Ｒ姷墓庾V圖。其特點(diǎn)是靈敏度和掃描速度高,一般幾十微克樣品在1秒鐘內(nèi)即可測(cè)得清晰的光譜圖，因此可以與色譜法聯(lián)用。氣相色譜法與傅里葉變換紅外光譜儀聯(lián)用(GC/FTIR)已趨成熟,接口是采用與色譜柱相匹配的內(nèi)壁鍍金的玻璃“光管”。來自干涉儀的紅外光束在光管入口處聚焦后沿管壁多次反射，到達(dá)高靈敏的汞鎘碲檢測(cè)器上進(jìn)行測(cè)量記錄。高效液相色譜法與傅里葉變換紅外光譜儀聯(lián)用一直引人注意，已用吸光度相減技術(shù)或漫反射技術(shù)來消除淋洗液的干擾。

　　核磁共振譜法 　通常用于有機(jī)官能團(tuán)定量分析的是質(zhì)子磁共振譜（見核磁共振譜）。譜圖上化學(xué)位移值和偶合常數(shù)值是定性指標(biāo)，而吸收峰面積是定量指標(biāo)。它直接反映了該類質(zhì)子的多少，與樣品濃度也成正比。吸收峰曲線下的面積由積分儀測(cè)量記錄，測(cè)量結(jié)果的精確度一般達(dá)1％～2％。定量分析時(shí)除采用工作曲線法以外，還可采用內(nèi)標(biāo)法。因?yàn)橥活愖孕耍ㄈ?1H）給出的核磁共振譜吸收峰面積只與產(chǎn)生核磁共振信號(hào)的核數(shù)目有關(guān)，而與它在分子中所處的化學(xué)環(huán)境無關(guān)，所以事實(shí)上標(biāo)準(zhǔn)參考樣品并不要求與待測(cè)組分為同一種物質(zhì)，例如測(cè)甲基時(shí)，在樣品中加入一定量的三硝基苯作內(nèi)標(biāo)，按下式即可算出甲基含量： ?

式中AX和AS分別表示甲基吸收峰和三硝基苯吸收峰面積；W為樣品重量。在混合物樣品中,若各組分的特征吸收峰不互相重疊，則可以事先不經(jīng)過分離，直接由一張核磁共振譜圖同時(shí)測(cè)定各組分含量。相重疊的峰有時(shí)可借助位移試劑將其分開，以便于定量測(cè)定。在碳譜中，為了使圖譜簡單和測(cè)試靈敏度高,一般在碳譜掃描過程中,同時(shí)用一個(gè)強(qiáng)的去偶射頻在全部質(zhì)子共振頻率區(qū)進(jìn)行照射，使得1H對(duì)13C的偶合全部去掉，得到質(zhì)子寬譜帶去偶圖譜，各碳峰均為極窄的單線，有利于定量測(cè)定。碳13磁共振的靈敏度只有質(zhì)子磁共振的六千分之一。采用傅里葉轉(zhuǎn)換核磁共振譜儀，可以克服碳譜低靈敏度的困難。此外，在去偶的同時(shí)發(fā)生奧氏核效應(yīng)，使得各碳峰的積分值和碳的數(shù)目不成比例。為了在定量分析時(shí)消除奧氏核效應(yīng)的影響，曾探索采用門控去偶技術(shù)或加入順磁性試劑的方法。

　　質(zhì)譜法 　目前較常用的是積分離子流法，即采用待測(cè)樣品的純樣，在離子源蒸發(fā)過程中，針對(duì)質(zhì)譜圖中某一特征離子，按一定時(shí)間間隔反復(fù)掃描此離子流，積分記錄各次掃描峰面積。以峰面積對(duì)樣品量繪制工作曲線。在同樣條件下測(cè)繪未知樣品的質(zhì)譜，根據(jù)工作曲線可測(cè)得試樣量。若試樣中共存的雜質(zhì)不干擾此特征峰，則事先不必分離，可直接進(jìn)樣測(cè)定。若在樣品中加入一定量的內(nèi)標(biāo)，以待測(cè)試樣和內(nèi)標(biāo)的峰面積比值對(duì)樣品量繪制工作曲線進(jìn)行定量測(cè)定，則精確度更高一些,分析10-5～10-12克試樣的定量誤差一般在±10％以內(nèi)。分析復(fù)雜混合物可采用氣相色譜與質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)或高效液相色譜與質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)。用常規(guī)色譜－質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)測(cè)定有機(jī)混合物時(shí)，采用總離子流檢測(cè)法。但是較晚期發(fā)展起來的質(zhì)量碎片譜法的靈敏度和專一性更高，改變加速電位以選擇收集某個(gè)質(zhì)量的離子進(jìn)行檢測(cè)的方法為單離子檢測(cè)法；改變加速電位使在一特定質(zhì)量數(shù)區(qū)域內(nèi)幾個(gè)所選擇的離子相繼在收集器上被檢測(cè)下來的方法為多離子檢測(cè)法。采用質(zhì)量碎片譜法可以使在色譜上未能分開的組分能經(jīng)質(zhì)譜分離測(cè)定。

　　電化學(xué)分析法 　極譜法和伏安法、安培滴定法、電位分析法、電導(dǎo)分析法和庫侖滴定法已廣泛采用，有的已成為常規(guī)分析手段。離子選擇性電極有較高的專一性和靈敏度，操作較簡單，便于環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)和臨床化驗(yàn)用。例如，一種鍵合型的醇－氧化酶電極可以測(cè)出血液中0.1毫克的乙醇。

　　原子吸收光譜法 　使有機(jī)試樣經(jīng)官能團(tuán)特征化學(xué)反應(yīng)生成含金屬原子的沉淀產(chǎn)物或絡(luò)合物，將后者自反應(yīng)系統(tǒng)中借助過濾或萃取分離出來后，用原子吸收光譜儀（見原子吸收光譜法）測(cè)定，然后計(jì)算該有機(jī)物的含量。這個(gè)方法既適于微量分析也可用于痕量分析。其優(yōu)點(diǎn)是可采用待測(cè)金屬元素的通用工作曲線，這對(duì)于缺乏待測(cè)有機(jī)物標(biāo)樣的分析工作特別有利。例如利用下列反應(yīng)測(cè)定水或空氣中的仲胺，可采用硫酸銅工作曲線： ?

　　色譜法 　氣相色譜或高效液相色譜的應(yīng)用也非常廣泛。用反相氣相色譜法進(jìn)行有機(jī)官能團(tuán)定量分析，特別適合分析高聚物中的痕量官能團(tuán)。原理是在與色譜儀在線聯(lián)用的微型反應(yīng)器中進(jìn)行官能團(tuán)特征化學(xué)反應(yīng)，使產(chǎn)生的氣體產(chǎn)物導(dǎo)入色譜儀進(jìn)行測(cè)定，從而可計(jì)算該官能團(tuán)含量。例如氫化鋁鋰與羥基物反應(yīng)生成氫氣，利用此反應(yīng)可借助氣相色譜法測(cè)定聚環(huán)氧乙烷鍵中的末端羥基： 4ROH+LiAlH4─→LiAl(OR)4+4H2↑