在分析化学的化学分析部分，从用作阳离子分组试剂的硫化氢的代用品硫代乙酰胺开始，到阳、阴离子鉴定试剂，酸碱指示剂，配位剂，金属指示剂，掩蔽剂，氧化还原指示剂，沉淀剂，显色剂等用到了几十种有机化合物^[1-18]。由于有机化合物的分子结构式中包含有十分重要的信息，它在描述化学反应机理与解释现象和用途等方面具有不可替代的作用，因此，早期出版的分析化学教材都包含有大量的有机化合物分子结构式和化学反应方程式^{[1, 2, 5, 6, 11]}。但十分遗憾的是，这些有机试剂中的一大部分尽管在分析化学中经常使用，在基础有机化学中由于分子结构特别复杂反而没有介绍，很自然的这些有机化学知识就成了分析化学课程中的教学难点。

对此情况，分析化学教材通常采取的作法是避难就简，结构式越是复杂的有机化合物，其化学名称也比较繁琐，为图简便，在分析化学中大量使用有机试剂的俗名和商品名称而很少用其化学名称，尽可能不涉及有机试剂的分子结构式及参与的反应式。于是就出现了同一种分析化学教材，越往后面的版本当中所包含的有机试剂的分子结构式及参与的化学反应方程式数量就越少的现象。表1是国内3种经典分析化学教材的不同版次中^[1-18]，化学分析部分所包含的13类常用“工具”性有机试剂的分子结构式数量的统计情况：初版依次是64种、67种、45种，最新版中相应数目为42种、34种、11种。其中，药学类专业使用的《分析化学》8个版次中列举出的有机分子结构式的数目依次是45、28、23、26、11、11、11、11，删减力度最大，其他院校的教材情况与此大致相同^[19-22]。

鉴于有机化合物分子结构知识基础，对学生学习分析化学非常重要，因此，若在有机化学课程中讲授到相关化合物分子结构式及反应类型时，有意补充其在分析化学课程中的应用情况及反应机理，能起到既同步于有机化学教材的知识体系，又兼顾到了在化学分析方面的应用的效果，真正体现知识的传承和同一专业课程群中的课程是一种相互联系、相互配合、相互支撑的关系^[23]。本文收集了这3种版本分析化学教材中提到名称的绝大多数有机试剂的分子结构式，按照其不同的用途类型，分析其构造特点及反应原理，以期为学生学习分析化学课程奠定基础。

用于鉴定阳离子的几种有机试剂的分子结构式如图1所示，有些与金属离子生成难溶于水的沉淀，有些则生成可溶性或疏水性络合物且伴随有明显的颜色变化，从而起到鉴定作用，其本质是有机沉淀剂或络合剂。从分子结构上分析，一般都含有―NH₂、―OH、―COOH、C＝O、C＝S等基团，反应时其中的N、O、S原子提供负价的离子及未共用电子。根据其成键特征可分为如图2所示的5种类型。第一类：单纯以配位键形成络合物，(1) ^[1]、(2) ^[1]和(3) ^[5] 3种分子中均由氮原子提供电子，分别与缺电子具有空轨道的Bi³⁺、Fe³⁺、Co²⁺离子形成稳定的有色络合物。第二类：氧或氮负离子与金属离子直接形成离子键，(16) ^[2]、(12) ^[1]和(4) ^[11]分子中的O―H键断裂失去质子(H⁺)生成氧负离子，(6)中N―H之间的键断裂生成氮负离子。第三类：既有氧(或硫、氮)负离子与金属离子直接形成的离子键，又有未共用电子对与其形成的配位键，(7) ^[5]、(8) ^[1]、(15) ^[1]、(9) ^[1]、(10) ^[5]、(11) ^[4]。第四类，是阴阳离子直接结合形成难溶性化合物，例如(12) ^[1]，(13) ^[5]是大体积的四苯硼负离子与K⁺形成了难溶性的盐，以及(14) ^[1]大体积的有机阳离子与含金属离子的络阴离子反应生成难溶盐。

第五类，反应机理如图3所示。阳离子鉴定试剂(5) ^[1]先被氧化生成一种有色化合物，被鉴定金属离子与其中的还原产物结合生成白色沉淀，由于白色沉淀吸附深颜色的有机物再次发生显著的颜色变化，从而起到鉴定作用。

用于鉴定阴离子的几种有机试剂的分子结构式如图4所示。

参照文献^{[2, 11]}，黄色硅钼酸铵生成后，再与(17)联苯胺^[1]在弱酸性介质中反应，其中3分子联苯胺被硅钼酸离子中+6价的钼所氧化生成联苯氨醌，并与未反应的部分联苯胺及醋酸分子结合在一起形成蓝色的混合物。氧化还原过程电子平衡关系式见图5中(Ⅱ)式。

鉴定NO₂^-反应用到了(18)对氨基苯磺酸^[1]和(19) α-萘胺^[5]两种有机试剂，反应机理如图6所示，是基础有机化学中常见的重氮化反应和偶联反应，生成的最终产物是一种红色的偶氮染料^[1]。

鉴定CN^-用到了(20)吡啶^[6]和(17)联苯胺，反应如图7所示，关键生色的一步属于含氮亲核试剂(17)与羰基的亲核加成再消除水分子的反应，产物是亚胺类化合物。

二苯胺试法^[1]鉴定NO₃^-，如图8所示，反应是在浓硫酸存在下，2分子(21)二苯胺在氨基的对位发生偶联，生成对二苯氨基联苯，再进一步被氧化成联苯胺醌式结构化合物，从而颜色加深。

用（22）品红鉴定SiO₃^2-的反应原理，可借助Schiff试剂的制备反应来理解^[24]，如图9中的式(Ⅰ)、(Ⅱ)所示，在酸性溶液中，SiO₃^2-主要以亚硫酸分子的形式存在，亚硫酸氢根离子对碳碳双键的亲核加成反应，及另2分子亚硫酸与苯氨基之间的缩水反应，可使品红转变为无色化合物^[1]。

此反应机理与络合物的稳定常数有关，如图10所示，茜素与锆盐作用生成紫红色的锆-茜素络合物^[4]，再加入F^-，则F^-夺出络合物中的Zr⁴⁺生成更稳定的无色[ZrF₆]^2-，使溶液紫红色消失^[11]。

如图11所示，鉴定反应中Br^-先要氧化成Br₂单质，再与荧光黄发生苯环上的亲电取代反应，生成四溴荧光黄^[11]，即曙红^[11]，从而颜色发生显著的变化。

有机元素及官能团鉴定试剂的分子结构式如图12所示。

如图13所示，(27)^[1]，从分子结构上可以看作是2分子的（26）8-羟基喹啉^[1]与矾酸分子中的羟基脱水而得，其本身呈黑绿色，溶于苯或甲苯变为灰绿色，遇到醇类以氢键形成溶剂化物显红色。

用(28) 2, 4-二硝基苯肼^[4]作为鉴定羰基试剂，是利用了其与醛、酮中的羰基反应生成具有鲜艳颜色结晶的现象，反应原理是含氮亲核试剂对羰基的亲核加成反应，见图14。

(29) 2, 4-二硝基氯苯^[4]作为鉴定胺类的有机试剂，见图15，是利用了分子中硝基的强烈吸电子作用，导致苯环上与Cl原子直接相连的C原子缺电子而显正电性，胺分子作为亲核试剂与其发生亲核取代反应。(30)苯磺酰氯^[4]作为鉴定区分3类胺的试剂，在有机化学中称兴斯堡试验(Hinsberg O) ^[25]，是胺分子中的活性氢与酰氯的反应，从本质上属于取代反应。

如图16所示，5碳糖在浓硫酸作用下失去水分子生成糠醛，与（31）对甲基苯胺中的氨基发生亲核加成反应并脱水生成亚胺类化合物，继而与第二分子（31）发生亲核取代反应，生成红色产物^[4]。而用(32)间苯二酚^[4]和糖类水解生成的5-羟甲基糠醛反应，根据产生红色缩合物的速度快慢来区分已酮糖和已醛糖的方法称Seliwanoff试验^[4]。用(33)蒽酮^[4]的硫酸溶液与糖脱水后的产物糠醛或5-羟甲基糠醛反应生成蓝绿色糠醛衍生物，称作蒽酮试验^[4]。

用于缓冲溶液组分的是一些常见有机酸、碱^[4]，见图17，自身能电离产生质子表现酸性，或者接受质子呈现碱性，或两者兼而有之。

如图18所列的11种在水溶液里常用的酸碱指示剂中，除了酚酞^[1]和甲基橙^[5]分子结构常见于教材之外，其余的几种分子结构式非常鲜见。从形式上看这些分子结构式确实比较复杂，但是只要我们认真分析这些化合物的结构特征，还是有规律可循的。从图19可以看出，酚酞的分子可以看作是由两个4-羟基苯基取代了邻羟甲基苯甲酸内酯分子中亚甲基上的两个氢原子后生成的衍生物。(42)百里酚酞与酚酞相比，只是分子结构中多了2种取代基。(43)酚红与酚酞相比，只是羧基变成了磺酸基，碳原子变成了硫原子而已，名称可以称作磺酚酞，其余4种化合物(44)-(47)可以看作是磺酚酞的衍生物。(48)-(50)是偶氮类化合物，分子结构相对比较简单。(51)中性红分子是二苯并吡嗪的衍生物。

酸碱指示剂的变色原理可分为3种类型。第1类，酚酞和磺酚酞类。其变色机理类似，图20是武汉大学主编的《分析化学》中酚酞的变色机理：先是内酯式水解开环生成具有游离羧基和醇羟基的羧酸式(Ⅱ)，由于羧基的酸性强于酚羟基的酸性，故加入一定量碱后，羧基先被中和生成取代苯甲酸根离子(Ⅲ)。此时的中心碳原子仍是sp³杂化，3个苯环各自孤立，未形成共轭体系，所以是无色的。再增加碱的浓度，两个酚羟基上的质子被中和变为酚氧负离子，并且作为内部推动力，其中一个氧负离子反馈电子给苯环，驱使中心碳原子上的醇羟基以氢氧根离子形式离去，苯环自身变为醌式结构(Ⅳ)。两个苯环的大π键通过分子中心sp²杂化的碳原子与苯醌实现共轭，形成一个大的共轭体系从而显示出红色。

酚红^[26]、溴酚蓝^[26]、溴甲酚绿^[27]、百里酚蓝^[11]、溴百里酚蓝^[11]等，都是弱酸，变色机理与酚酞类似，如图21以酚红为例^[27]。

第二类，甲基橙是一种有机碱，因其酸式和碱式均有颜色而称为双色指示剂，它在水溶液里的解离作用和变色机理如图22中式(Ⅰ)所示：偶氮基中的1个氮原子结合1个质子后显正电性，引起氮氮之间的π键断裂及苯环内π电子向外迁移，进而分子结构转化为醌式，颜色相应发生变化，甲基黄^[26]指示剂变色机理与此极为相似。甲基红^[11]是一种有机弱酸，变色机理如图(22)中的式(Ⅱ)。

第三类，（51）中性红^[26]也是一种有机碱，分子结构中含有4个可以接受质子的N原子，易溶于水，并显深红色，变色原理是随着溶液pH变化，形体的颜色发生变化。

3种指示剂的分子结构式如图23所示，此外，还有(5)偶氮紫^[11]、(43)溴酚蓝^[11]、(45)百里酚蓝^[11]等。

（52）结晶紫和（53）喹哪啶红有氮原子可接受质子而划分为弱碱，结晶紫属于三苯甲醇类分子，其碱式结构接受质子的过程如图24所示^[11]。

（54）和（43）、（45）等由于分子结构中的酚羟基的电离属于有机弱酸，变色机理都基于其酸式结构与碱式结构所呈颜色不同。

有机络合剂分子中常含有两个以上的配位原子，与金属离子形成具有环状结构的螯合物。除如图25所示的几种之外，(26) 8-羟基喹啉、(2)邻二氮菲也属此类络合剂，其常用于有机沉淀剂、有机掩蔽剂等，如图26所示^[8]。

如图27所示，金属指示剂是一种显色剂，它与被滴定的金属离子能生成有色络合物，此有色络合物的颜色与指示剂本身的颜色不同。从分子结构上分析，金属指示剂分子中酚氧或羧基氧上的负电荷会与金属离子形成离子键，同时邻近N原子提供未共用电子形成配位键，协同发生作用生成金属络合物，也呈现特定颜色^[27]，如图28所示。

常见有机掩蔽剂除了图29所示(73)-(82)外，还有(1)硫脲、(2)邻二氮菲、(54)酒石酸、(57)乙二胺及其同系物^[8]、(38)三乙醇胺^[8]、和(17)联苯胺^[4]等。

在络合滴定中，常利用掩蔽剂与干扰离子生成稳定螯合物、沉淀物，或利用氧化还原反应改变离子价态消除干扰，所以，掩蔽剂其实就是一些络合剂、沉淀剂等。（73）和（80）两种掩蔽剂的络合反应^[如图30所示^27]。

常见的氧化还原指示剂除了图31中的4种之外，还有(21)二苯胺、(84)二苯胺黄酸钠等。这类指示剂的氧化态和还原态具有不同的颜色，根据颜色的突变来指示终点。如图32，二苯胺黄酸钠的还原态无色，氧化态为紫红色。

吸附指示剂因吸附到沉淀上的颜色与其在溶液中的颜色不同而指示终点，常用的有(23)萤光黄^[11]、(87)二氯萤光黄(素) ^[18]、(24)曙红、(44)溴甲酚绿、(88)甲基紫、(18)氨基苯磺酸、(43)溴酚蓝、(89)二甲基二碘萤光黄^[18]等。其中三种的结构如图33所示。

有机沉淀剂除了图34中的(90)-(95)外，还有(26) 8-羟基喹啉^[10]、(14)四苯硼酸钠、(10)丁二酮肟、(75)草酸、(57)铜试剂(简称DDTC)等。

有机沉淀剂可以分为生成螯合物和生成离子缔合物的沉淀剂两类^[8]，生成螯合物的分子中有两个基团，一个是酸性基团，如―OH，―COOH，―SH，―SO₃H等；另一个是碱性基团，如―NH₂，―NH―，N＝，CO―，CS―等。(93) NBPHA ^[6]和(94)铜铁试剂^[7]的沉淀反应如图35所示。

萃取剂其实就是一些有机沉淀剂或络合剂，萃取原理是金属离子与螯合剂生成中性螯合物分子，难溶于水而易溶于有机溶剂被萃取，或者，金属离子与配体形成的大体积的配阳离子或配阴离子以及某些酸根离子能与阴离子或阳离子染料形成疏水性的离子缔合物，被有机溶剂萃取^[10]。

有机显色剂分子结构中都含有偶氮基、对醌基和羰基等不饱和键生色团，以及氨基、羟基和卤代基等助色团，显色原理其实是这些分子与某些离子生成稳定的有色配位化合物或有色的离子缔合物。除了图36中的(96)偶氮胂Ⅲ ^[10]和(97)铬天菁S ^[10]两种外还有(75)磺基水杨酸^[10]、(10)丁二酮肟^[10]、(2)邻二氮菲^[10]、(8)二苯硫腙^[10]、(51)结晶紫^[10]等。

综上所述，本文收集了3类院校编写的共18个版次《分析化学》教材中常用到的有机化合物的分子结构式，约90多种，特别是给出了结构比较复杂、教材中只有商品名和英文缩写的一些有机试剂的分子结构式。根据其在分析化学中的用途进行了分类，并分析了其分子结构特点及作用原理。从中可以发现有两个显著的规律：(1)酸碱指示剂、金属指示剂、吸附指示剂和显色剂等这4种试剂的结构式都比较复杂，但在结构上它们都非常相似，作用原理也类同，可细分为三苯甲烷类和偶氮化合物两大类。(2)阳离子鉴定试剂、有机沉淀剂、络合剂(螯合剂)、掩蔽剂、萃取剂这5种也是结构上非常相似的同一类化合物。因此，掌握了这3大类有机试剂的结构特征就相当于具备了理解大部分分析试剂的作用原理的基础，可以有效解决分析化学课程的教学中因这些有机化学知识点欠缺，影响教学效果的难点问题。