資源簡介

3.2第2課時　有機化合物結構式的確定
【學習目標】
1.通過質譜、紅外光譜、核磁共振氫譜等現代儀器測定、探析有機物的分子組成、結構,揭示有機物結構的異同;能認識儀器分析對確定物質微觀結構的作用。
2.從官能團的鑒別,構建不同有機物的結構模型,結合官能團的性質,推理出各類有機物的特性。
【自主預習】
一、有機化合物分子不飽和度的計算
1.不飽和度的計算公式
不飽和度=N(C)+1-。
說明:N(C)表示碳原子數,N(H)表示氫原子數。
(1)若有機化合物分子中含有鹵素原子,則將其視為氫原子。
(2)若含有氧原子,則不予考慮。
(3)若含有氮原子,則用氫原子總數減去氮原子數。
2.幾種官能團的不飽和度
化學鍵 不飽和度 化學鍵 不飽和度
一個碳碳雙鍵 ①　　　 一個碳碳三鍵 ②　　　
一個羰基 ③　　　 一個苯環 ④　　　
一個脂環 ⑤　　　 一個氰基(—CN) ⑥　　　
3.根據分子結構計算
①Ω=雙鍵數+三鍵數×2+苯環數×4+脂環數
如:Ω=1+1×2+1=4。
:Ω=4+3=7。
②立體封閉有機物(多面體等):Ω=立體面數-1。
如立方烷()的面數為6,其不飽和度Ω=6-1=5;棱晶烷()的面數為5,其不飽和度Ω=5-1=4。
二、確定有機化合物的官能團
1.化學實驗方法
官能團種類 檢測試劑 判斷依據
碳碳雙 鍵或碳 碳三鍵 溴的四氯化碳溶液或溴水
酸性KMnO4溶液
鹵素原子 NaOH溶液(加熱),稀硝酸、AgNO3溶液 有沉淀生成,根據沉淀的顏色判斷鹵素的種類
醇羥基 鈉 有氫氣放出
酚羥基 　　　　　　溶液 顯紫色
　　　　　　　　 有白色沉淀生成
醛基 銀氨溶液(水浴加熱) 有銀鏡生成
新制氫氧化銅懸濁液(加熱) 有　　　　沉淀生成
羧基 NaHCO3溶液或Na2CO3溶液 有　　　　放出
2.物理測試方法
(1)紅外光譜
①原理:用紅外光照射有機物分子時,分子中化學鍵或官能團可發生振動吸收,不同官能團或化學鍵吸收頻率不同,在紅外光譜圖上將處于不同的位置。
②作用:初步判斷有機物中含有的　　　　或　　　　。
如分子式為C2H6O的有機物A有如下兩種可能的結構:CH3CH2OH和CH3OCH3,利用紅外光譜測定分子中有　　　　,可確定A的結構簡式為CH3CH2OH。
(2)核磁共振氫譜
①原理:處于不同化學環境中的氫原子因產生共振時吸收電磁波的頻率不同,在譜圖上出現的位置不同,而且吸收峰的面積與　　　　　　成正比。
②作用:測定有機物分子中氫原子的　　　　　　。
③分析:吸收峰數目=　　　　　　　　,吸收峰面積比=　　　　　　　　。
如CH3CH2OH的吸收峰面積比=　　　　。
【答案】
一、2.①1　②2　③1　④4　⑤1　⑥2
二、1.橙紅色溶液褪色　紫色溶液褪色　FeCl3
溴水(足量)　磚紅色　CO2氣體　2.(1)②官能團
化學鍵　O—H鍵　(2)①氫原子數目　②類型和個數比　③氫原子的類型　氫原子個數比　3∶2∶1
【效果檢測】
1.判斷正誤(正確的打“√”,錯誤的打“×”)。
(1)根據實驗式CH4O可以確定分子式為CH4O。 (　　)
(2)根據紅外光譜可以確定有機物中化學鍵種類。 (　　)
(3)核磁共振氫譜中,有幾個吸收峰就說明有幾個氫原子。 (　　)
(4)CH3CH2CH2OH的核磁共振氫譜中,有3個吸收峰,且吸收峰面積比為4∶3∶1。 (　　)
(5)某有機化合物的核磁共振氫譜圖如圖所示,該有機化合物有4種不同化學環境的氫原子,個數比為1∶1∶1∶1。 (　　)
　　【答案】(1)√　(2)√　(3)×　(4)×　(5)×
2.二甲醚和乙醇能用質譜法鑒別嗎 如不能,請提出可行的鑒別方法。
　　【答案】不能,可用紅外光譜或核磁共振氫譜法鑒別。
3.已知有機物的實驗式(最簡式),確定其分子式時,還需要知道什么物理量
　　【答案】相對分子質量。
【合作探究】
任務1　有機物不飽和度的計算
【核心歸納】
確定有機化合物結構式的流程
【典型例題】
【例1】下列說法不正確的是(　　)。
A.有機分子中插入O原子對不飽和度沒有影響
B.有機分子中去掉H原子對不飽和度沒有影響
C.用CH原子團代替有機分子中的N原子對有機分子的不飽和度沒有影響
D.烷烴和飽和一元醇的不飽和度都為0
　　【答案】B
【解析】分子的不飽和度為N(C)+1-,可知去掉H原子不飽和度增大,B項不正確;分子中含有氮原子時,在氫原子總數中減去氮原子數:不飽和度=N(C)+1-,若用CH代替N原子,則多1個C和1個H,少一個N,不飽和度不變,C項正確。
【例2】某鏈烴的化學式為C200H202,已知該分子中三鍵數與雙鍵數之比為2∶1,則其雙鍵數目為(　　)。
A.50 B.40 C.30 D.20
　　【答案】D
【解析】可利用鏈烴的不飽和度等于三鍵和雙鍵的不飽和度之和來計算,設雙鍵數目為x,則三鍵數目為2x,依不飽和度計算公式有200+1-=1×x+2×2x,解得x=20。
任務2　確定有機化合物的官能團
【核心歸納】
1.確定有機化合物的官能團
(1)化學實驗法檢驗官能團
官能團種類 檢測試劑 判斷依據
碳碳雙鍵或 碳碳三鍵 溴的四氯化碳溶液或溴水 橙紅色溶液褪色
酸性KMnO4溶液 紫色溶液褪色
鹵素原子 NaOH溶液(加熱)、稀硝酸、AgNO3溶液 有沉淀生成,根據沉淀的顏色判斷鹵素的種類
醇羥基 鈉 有氫氣放出
酚羥基 FeCl3溶液 顯紫色
溴水(足量) 有白色沉淀生成
醛基 銀氨溶液(水浴) 有銀鏡生成
新制氫氧化銅(加熱) 有磚紅色沉淀生成
羧基 NaHCO3溶液或Na2CO3溶液 有CO2氣體放出
(2)物理測試法
①紅外光譜:可以獲得有機物分子中化學鍵或官能團的信息。
②核磁共振氫譜:處于不同化學環境中的氫原子種數等于核磁共振氫譜中的峰的個數;處于不同化學環境的氫原子的數目之比等于峰的面積之比。
例如:分子式為C2H6O的有機物的核磁共振氫譜如下
乙醇 甲醚
核磁共振氫譜
吸收峰數目 3 1
不同吸收峰面積之比 2∶1∶3 —
結構簡式 CH3CH2OH CH3—O—CH3
2.醫用膠單體的結構確定
(1)測定實驗式
燃燒30.6 g某種醫用膠樣品,實驗測得生成70.4 g CO2、19.8 g H2O、2.24 L N2(已換算成標準狀況),確定其實驗式的計算步驟如下:
①計算各元素的物質的量
n(CO2)==1.6 mol,n(C)=1.6 mol;
n(H2O)==1.1 mol,n(H)=2.2 mol;
n(N2)==0.1 mol,n(N)=0.2 mol;
n(O)==0.4 mol。
②確定實驗式
實驗式為C8H11NO2。
(2)確定分子式
已知:由質譜分析法測定出該樣品的相對分子質量為153。
設該化合物的分子式為(C8H11NO2)n,則n==1,則該化合物的分子式為C8H11NO2。
(3)推導結構式
①計算不飽和度
不飽和度=n(C)+1-=8+1-=4。
②用化學方法推測分子中的官能團
a.加入溴的四氯化碳溶液,橙紅色褪去,說明可能含有或—C≡C—。
b.加入(NH4)2Fe(SO4)2溶液、硫酸及KOH的甲醇溶液,無明顯變化,說明不含有—NO2。
c.加入強堿水溶液并加熱,有氨氣放出,說明含有—CN。
③推測樣品分子的碳骨架結構和官能團在碳鏈上的位置
樣品分子核磁共振氫譜圖和核磁共振碳譜圖顯示該化合物分子中含有、等基團。
④確定結構簡式
綜上所述,該醫用膠單體的結構簡式為。
【典型例題】
【例3】下列化合物中在核磁共振氫譜中出現兩組峰,其氫原子數之比為3∶2的是(　　)。
A.　　　B.
C. D.
　　【答案】D
【解析】根據有機物結構簡式可判斷A中有2組峰,其氫原子數之比為3∶1;B中有3組峰,其氫原子數之比為3∶1∶1;C中有3組峰,其氫原子數之比為3∶1∶4;D中有2組峰,其氫原子數之比為3∶2,D項正確。
【例4】有機物X是一種重要的有機合成中間體,用于制造塑料、涂料和黏合劑等高聚物。為研究X的組成與結構,進行了如下實驗:
(1)X的質譜圖如圖所示,則其相對分子質量為　　　　。
(2)將10.0 g X在足量O2中充分燃燒,并將其產物依次通過足量的無水CaCl2和KOH濃溶液,發現無水CaCl2增重7.2 g,KOH濃溶液增重22.0 g。X的分子式為　　　　。
(3)經紅外光譜測定,X中含有醛基;其核磁共振氫譜圖上有2組峰,峰面積之比為3∶1。則X的結構簡式為　　　　　　　。
　　【答案】(1)100
(2)C5H8O2
(3)(CH3)2C(CHO)2
【解析】(2)無水CaCl2增重的7.2 g是水的質量,10.0 g X中氫原子的物質的量為×2=0.8 mol,KOH濃溶液增重的22.0 g是二氧化碳的質量,10.0 g X中碳原子的物質的量為=0.5 mol,根據質量守恒,氧原子的質量為10.0 g-0.8 mol×1 g·mol-1-0.5 mol×12 g·mol-1=3.2 g,則氧原子的物質的量為=0.2 mol,則該分子中碳、氫、氧元素原子個數之比為0.5 mol∶0.8 mol∶0.2 mol=5∶8∶2,結合X的相對分子質量可知,X的分子式為C5H8O2。(3)X中含有醛基,核磁共振氫譜圖上有2組峰,則X分子中含有2種不同化學環境的氫原子,其中一種是醛基中的氫原子,又因為峰面積之比為3∶1,則含兩個醛基,故其結構簡式為(CH3)2C(CHO)2。
【隨堂檢測】
1.能夠快速、微量、精確地測定出有機物的相對分子質量的物理方法是(　　)。
A.質譜法　　　　　　　　B.紅外光譜法
C.紫外光譜法 D.核磁共振氫譜法
　　【答案】A
【解析】測定有機物的相對分子質量的物理方法通常為質譜法。
2.下列分子中,其核磁共振氫譜中只有一組峰的物質是(　　)。
A.CH2ClCH2Br B.CH3COOH
C.CH3COOCH3 D.CH3COCH3
　　【答案】D
【解析】CH2ClCH2Br有2種不同化學環境的H原子,CH3COOH有2種不同化學環境的H原子,CH3COOCH3有2種不同化學環境的H原子,CH3COCH3呈左右對稱結構,只有1種H原子。
3.下列能夠獲得有機物所含官能團信息的方法是(　　)。
A.紅外光譜 B.質譜法
C.色譜法 D.核磁共振氫譜
　　【答案】A
【解析】紅外光譜可測定有機物的化學鍵以及官能團。
4.下列化合物中,核磁共振氫譜只出現兩組峰且峰面積之比為3∶1的是(　　)。
A. B.
C.CH3—CH2—CH3 D.
　　【答案】C
【解析】CH3—CH2—CH3中只有2種不同的氫原子,且數目之比為3∶1。
5.某芳香族有機化合物的分子式為C8H6O2,它的分子(除苯環外不含其他環)中不可能有(　　)。
A.兩個羥基 B.一個醛基
C.兩個醛基 D.一個羧基
　　【答案】D
【解析】由該有機化合物的分子式可求出其不飽和度Ω=6,分子中有一個苯環,苯環的不飽和度Ω=4,余下2個不飽和度、2個碳原子和2個氧原子。具有2個不飽和度的基團組合可能有三種情況:①兩個碳原子形成1個—C≡C—、兩個氧原子形成2個羥基,均分別連在苯環上;②兩個碳原子形成1個羰基、1個醛基,相互連接;③兩個碳原子形成2個醛基,分別連在苯環上。C8H6O2分子拆除一個苯環和一個羧基后,還余一個C,它不可能再形成1個不飽和度,故D項不可能。
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