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第3章
第2节 有机化合物结构的测定
内容索引
01
02
课前篇 素养初探
课堂篇 素养提升
素养目标
1.了解有机化合物结构测定的一般步骤和程序,能进行确定有机化合物分子式的简单计算,形成宏观辨识与微观探析的化学学科核心素养。
2.能利用官能团的化学检验方法鉴定官能团,培养证据推理与模型认知的化学学科核心素养。
3.初步了解一些测定有机化合物结构的现代手段,懂得有机化合物结构测定是有机化合物合成的重要环节,培养科学态度与社会责任的化学学科核心素养。
课前篇 素养初探
必备知识
一、有机化合物分子式的确定
1.测定有机化合物结构的流程
测定有机化合物结构的核心步骤是确定其分子式以及检测分子中所含的官能团及其在碳骨架上的位置。
2.元素组成的测定方法及步骤
3.测定有机化合物的摩尔质量
(1)可根据具体情况选择下面三个公式中的一个来确定。
M= ,M=22.4ρ标,M(A)=DM(B)(D为A对B的相对密度)
(2)质谱法。
质谱法是一种仅用几微克的样品就可以准确测出有机化合物的相对分子质量的方法,是目前常用的测定有机化合物相对分子质量的方法之一。
4.有机化合物分子式的确定
二、有机化合物结构式的确定
1.有机化合物分子不饱和度的计算
若有卤素原子,则视为氢原子;若有氧原子,则不予考虑;若有氮原子,则在氢原子总数中减去氮原子数。
(2)常见几种官能团的不饱和度:
化学键 不饱和度 化学键 不饱和度
一个碳碳双键 1 一个碳碳三键 2
一个羰基 1 一个苯环 4
一个脂环 1 一个氰基 2
2.确定有机化合物的官能团
(1)常见官能团的实验推断方法。
试剂 判断依据 可能的官能团
溴的四氯化碳溶液 橙红色溶液褪色 碳碳双键或碳碳三键
酸性KMnO4溶液 紫色溶液褪色
NaOH溶液(加热)、稀硝酸、AgNO3溶液 有沉淀产生 卤素原子
钠 有气体放出 醇羟基
FeCl3溶液 显紫色 酚羟基
溴水 有白色沉淀产生
银氨溶液(水浴) 有银镜生成 醛基
新制氢氧化铜悬浊液(加热) 有砖红色沉淀产生
NaHCO3溶液 有二氧化碳气体放出 羧基
(2)物理方法:通过红外光谱(IR)及核磁共振(NMR)等方法能快速准确地确定有机化合物分子的结构。
3.案例:某种医用胶的结构确定
(1)确定分子式。
①计算原子的物质的量:已知某种医用胶单体(含C、H、O、N四种元素)的样品质量为30.6 g,燃烧后实验测得生成70.4 g CO2、19.8 g H2O及2.24 L N2(已换算为标准状况)。
m(O)=30.6 g-m(C)-m(H)-m(N)=6.4 g,
n(O)=0.4 mol。
②确定实验式:N(C)∶N(H)∶N(N)∶N(O)=8∶11∶1∶2,则实验式为C8H11NO2。
③确定分子式:由质谱分析法测定出该样品的相对分子质量为153.0,结合该物质的相对分子质量,可知其实验式就是化学式。
(2)推导结构式。
①用化学方法推断官能团的种类。
加入(NH4)2Fe(SO4)2溶液、硫酸及KOH的甲醇溶液,无现象,说明样品分子中无硝基。
加入溴的四氯化碳溶液,橙红色溶液褪色。
加入强碱水溶液并加热,有氨气放出,说明样品分子中含有氨基。
②推测样品分子的碳骨架结构和官能团在碳链上的位置。
结合样品分子的核磁共振氢谱图和核磁共振碳谱图,可推测样品分子的官能团在碳链上的位置。
③确定结构简式。
自我检测
1.判断下列说法是否正确,正确的画“√”,错误的画“×”。
(1)红外光谱可以测量出化学键或官能团的种类,但不能测出化学键或官能团的个数。( )
(2)核磁共振氢谱中信号峰的数目代表的是氢原子的种类而非氢原子的个数。( )
(3)有机化合物的天然提取和人工合成往往得到的是混合物,研究有机混合物,一般要采取的几个步骤是:分离、提纯→确定实验式→确定化学式→确定结构式。( )
√
√
√
(4)某有机化合物在氧气中充分燃烧,生成的CO2和H2O的物质的量之比为1∶2,分子中一定含有氧原子。( )
(5)鉴别二甲醚和乙醇可采用质谱法。( )
×
×
2.某气态有机化合物X含C、H、O三种元素,已知下列条件,现欲确定X的分子式,所需的最少条件是( )
①X中含碳质量分数 ②X中含氢质量分数 ③X在标准状况下的体积 ④质谱图确定X的相对分子质量 ⑤X的质量
A.①② B.①②④
C.①②⑤ D.③④⑤
答案 B
解析 由C、H元素的质量分数可推知O元素的质量分数,由各元素的质量分数可确定X的实验式,由相对分子质量和实验式可确定X的分子式。
课堂篇 素养提升
探究一
确定有机化合物的元素组成及分子式
问题探究
1.
(1)如何判断有机化合物是否含有C、H、O等元素 如何通过实验进行检测
提示
将产物通过无水硫酸铜、澄清石灰水等检测水、二氧化碳等物质的生成,再结合有机化合物总质量,确定是否含有氧等其他元素。
(2)如何进一步确定该有机化合物中各元素的质量分数及其实验式
提示 利用氧化产物吸收法确定有机化合物实验式:
测定浓硫酸(吸收水)、碱石灰(吸收二氧化碳)等物质质量的变化。
2.如何计算有机化合物的相对分子质量
提示 相对分子质量在数值上与其摩尔质量相等,所以可用计算摩尔质量的方法计算相对分子质量。
3.实验式和分子式有何异同
提示 实验式(最简式)只是说明了物质中元素原子的物质的量之比,分子式说明了物质分子的具体组成;二者中各元素的质量百分比一定相同,可能不同的是原子的个数,但有些物质的实验式和分子式相同,如CH4。
深化拓展
确定有机化合物分子式的一般途径
(1)由分子中各元素质量分数及相对分子质量确定分子式。
解法1:分子中各元素原子个数为:
(2)由燃烧前后反应物和反应产物的质量及相对分子质量确定分子式。
设有机化合物分子式为CxHyOz,写出燃烧通式:
列比例式后求出x、y,再结合相对分子质量求出z。
(3)根据有机化合物的相对分子质量和通式确定分子式。
首先确定有机化合物的类别,写出其分子通式,如烷烃的通式为CnH2n+2,饱和一元醇的通式为CnH2n+1OH……然后结合相对分子质量求出n值。
(4)根据分子的平均组成及分子组成的通式确定分子式。
此法适用于混合物组成成分的推导。先求得混合物的平均组成CaHbOc(a、b、c不一定是正整数),若由两种物质组成,则该两种物质中C、H、O原子个数与平均组成中的a、b、c相比,应满足一大一小或均相等的条件。
(5)根据有机化合物的相对分子质量,利用商余法确定烃的分子式(商余法只适用于求烃的分子式)。
素能应用
典例1有机化合物A的相对分子质量大于110,小于150。经分析得知,其中C和H的质量分数之和为52.24%,其余为O。请回答:
(1)该化合物分子中含有 个氧原子。
(2)该化合物的摩尔质量是 。
(3)该化合物的分子式为 。
答案 (1)4 (2)134 g·mol-1 (3)C5H10O4
变式训练1燃烧3 g某有机化合物生成0.1 mol CO2和1.8 g H2O,该有机化合物的蒸气对H2的相对密度为30,则该有机化合物的分子式为( )
A.C2H4 B.C3H8O2
C.C2H6O D.C2H4O2
答案 D
解析 有机化合物完全燃烧生成CO2和H2O,说明该有机物肯定含C、H元素,可能含有O元素,由该有机化合物的蒸气对H2的相对密度为30,可得该化合物相对分子质量为2×30=60;则3 g该有机化合物为0.05 mol,含碳原子的物质的量为0.1 mol,则碳元素的质量为0.1 mol×12 g·mol-1=1.2 g,氢元素的质
探究二
确定有机化合物的结构式
问题探究
某有机化合物中含碳元素的质量分数为54.5%、含氢元素的质量分数为9.1%,其余为氧元素。用质谱法分析得知该有机化合物的相对分子质量为88。
1.写出该有机化合物的分子式。
2.若该有机化合物在水溶液中呈酸性,且结构中不含支链,求其核磁共振氢谱峰面积之比。
提示 若该有机化合物在水溶液中呈酸性,根据分子式C4H8O2可知,该有机化合物为饱和一元羧酸,且结构中不含支链,则为CH3CH2CH2COOH,其核磁共振氢谱峰面积之比为3∶2∶2∶1。
3.若实验测得该物质不能发生银镜反应,该有机化合物分子的红外光谱图(省略了相关数据)如下:
试推断该有机化合物的结构简式。
提示 该物质不能发生银镜反应,则不含醛基,根据红外光谱可知,该有机化合物含有不对称的—CH3、C==O、C—O—C,该有机化合物的结构简式可能是CH3COOCH2CH3、CH3CH2COOCH3、CH3COCH2OCH3。
深化拓展
确定有机化合物结构式的方法
(1)由分子式确定有机化合物结构式的一般步骤
其结构式的确定过程可表示如下:
(2)由分子式确定结构式的方法
有机化合物结构的测定,过去常通过利用有机化合物的化学性质,确定分子中所含的官能团,再确定其所在的位置,现代化学测定有机化合物的结构可用现代化的物理方法。
①化学法确定有机化合物的官能团。
官能团决定有机化合物的特殊化学性质,通过一些特殊的化学反应和反应的实验现象,我们可以确定有机化合物中含有何种官能团。
d.能发生银镜反应或能与新制的Cu(OH)2悬浊液反应的有机化合物必含有“—CHO”。
e.能与钠反应放出H2的有机化合物必含有“—OH”或“—COOH”。
f.能与Na2CO3或NaHCO3溶液反应放出CO2或使石蕊溶液变红的有机化合物中必含有—COOH。
g.能发生消去反应的有机化合物有醇、卤代烃。
h.能发生水解反应的有机化合物有卤代烃、酯、糖或蛋白质等。
i.遇FeCl3溶液显紫色的有机化合物必含有酚羟基。
②仪器法测定有机化合物的碳骨架和官能团。
现代化学测定有机化合物结构的方法比较多,经常采用红外光谱和核磁共振氢谱来确定碳骨架的结构和官能团。
a.红外光谱(CH3CH2OH)(省略相关数据)
b.核磁共振氢谱
下图是分子式为(C2H6O)的两种同分异构体的核磁共振氢谱。
CH3CH2OH
CH3OCH3
素能应用
典例2(2020安徽太和中学高二月考)肉桂酸甲酯(H)是常用于调制具有草莓、葡萄、樱桃、香子兰等香味的食用香精。它的分子式为C10H10O2,且分子中只含有一个苯环,苯环上只有一个取代基。利用红外光谱仪可初步检测有机化合物中的某些基团,现测得H分子的红外光谱如图所示:
试回答下列问题:
(1)肉桂酸甲酯(H)的结构简式为 。
(2)现测出A的核磁共振氢谱图有6组信号峰,且面积之比为1∶2∶2∶2∶1∶2。用芳香烃A为原料合成H的路线如下(部分反应物和反应条件已略去):
①F→G的反应类型是 。
②F的同分异构体较多,其中有一类可用通式 表示(其中X、Y均不为氢原子),试写出符合上述通式且能发生银镜反应的四种物质的结构简式: 。
解析 由A到H的转化结合肉桂酸甲酯的结构特点可知,A含有1个苯环、1个侧链,不饱和度为 =5,故侧链中含有1个碳碳双键,A的核磁共振氢谱图有6组信号峰,分子中含有6种H原子,其面积之比为1∶2∶2∶2∶1∶2,则各种H原子数目为1、2、2、2、1、2,苯环中有3种H原子,数目分别为1、2、2,故侧链有3种H原子,数目分别为2、1、2,故侧链中不含甲基,则A的结构简式为 。A与溴发生加成
反应生成的B为 , B发生取代反应生成C,结合C的
变式训练2已知某有机化合物A的红外光谱和核磁共振氢谱图如下图所示,下列说法不正确的是( )
未知物A的红外光谱
未知物A的核磁共振氢谱
A.由红外光谱可知,该有机化合物中至少有三种不同的化学键
B.由核磁共振氢谱图可知,该有机化合物分子中有三种不同的氢原子
C.仅由其核磁共振氢谱图无法得知其分子中的氢原子总数
D.若A的化学式为C2H6O,则其结构简式为CH3—O—CH3
答案 D
解析 由红外光谱可知,该有机化合物中至少有C—H、O—H、C—O三种不同的化学键,故A正确;由核磁共振氢谱图可知,该有机化合物有三种不同的氢原子,故B正确;根据核磁共振氢谱图中信号峰的个数和面积可知其氢原子种类和数目比,但无法得知其分子中的氢原子总数,故C正确;若A的化学式为C2H6O,根据红外光谱分析其中化学键种类至少有C—H、O—H、C—O,根据核磁共振氢谱得知其氢原子种类有3种,则其结构简式应为CH3CH2OH,故D错误。
探究三
有机化合物中常见官能团的检验
问题探究
乙醇、乙醛、乙酸、苯酚分别含有哪些官能团 如何通过官能团性质来鉴别乙醇、乙醛、乙酸、苯酚
提示 乙醇、乙醛、乙酸、苯酚含有的官能团分别为醇羟基、—CHO、—COOH、酚羟基。通过官能团检验这四种物质的方法和操作步骤如下:
步骤Ⅰ:向盛这4种溶液的试管中分别加入新制的氢氧化铜悬浊液,其中试管中溶液变澄清且为蓝色,则对应的物质为乙酸;
步骤Ⅱ:对剩余的3支试管进行加热,试管中产生砖红色沉淀的对应的物质是乙醛;
步骤Ⅲ:向另外两支试管中分别加入FeCl3溶液,其中溶液显紫色的对应的物质是苯酚;则剩余的是乙醇。
深化拓展
有机化合物的检验与鉴别的常用方法
(1)利用有机化合物的溶解性
通常是加水检验,观察其是否能溶于水。例如,用此法可以鉴别乙酸与乙酸乙酯、乙醇与氯乙烷、甘油与油脂等。
(2)利用液态有机化合物的密度
观察不溶于水的有机化合物在水中浮沉情况可知其密度相对于水的密度的大小。例如,用此法可鉴别硝基苯与苯、四氯化碳与1-氯丁烷等。
(3)利用有机化合物的燃烧情况
如观察是否可燃(大部分有机化合物可燃,四氯化碳和多数无机物不可燃);燃烧时黑烟的多少(可区分乙烷、乙烯和苯)。
(4)利用有机化合物中官能团的性质
思维方式:官能团→性质→检验方法的选择。
常见有机化合物的鉴别或检验:
物质 试剂或方法 现象与结论
饱和烃与 不饱和烃 加入溴水或酸性KMnO4溶液 使溶液褪色的是不饱和烃
苯与苯的 同系物 加酸性KMnO4溶液 使酸性KMnO4溶液褪色的是苯的同系物(与苯环直接相连的碳原子上有氢原子)
醛 加银氨溶液(加热);加新制Cu(OH)2悬浊液(煮沸) 有银镜生成;煮沸后有砖红色沉淀生成
醇 加入活泼金属钠 有气体放出
羧酸 加紫色石蕊溶液;加Na2CO3溶液 溶液显红色;有气体逸出
酯 闻气味;加稀氢氧化钠溶液 有水果香味(低级酯);检验水解产物
酚 加FeCl3溶液;加溴水 溶液显紫色;有白色沉淀生成
素能应用
典例3(2020山东济南章丘第四中学高二月考)下列实验设计所得结论可靠的是( )
A.将电石与水反应产生的气体通入酸性KMnO4溶液中,使溶液褪色的一定是乙炔
B.将溴乙烷与NaOH的乙醇溶液共热产生的气体通入酸性KMnO4溶液中,使溶液褪色的一定是乙烯
C.将溴乙烷与NaOH的乙醇溶液共热产生的气体通入溴水中,使溴水褪色的一定是乙烯
D.将苯、液溴、铁粉混合物反应产生的气体通入AgNO3溶液中有淡黄色沉淀产生,说明有HBr生成
答案 C
解析 生成的乙炔中可能混有硫化氢气体,硫化氢具有还原性,则气体通入酸性KMnO4溶液中,使溶液褪色的不一定是乙炔,选项A错误;乙醇易挥发,且能被酸性高锰酸钾溶液氧化,不能排除乙醇的影响,应先通过水除去乙醇,选项B错误;溴乙烷与NaOH的乙醇溶液共热发生消去反应生成乙烯,反应物和产物中只有乙烯使溴水褪色,则溶液褪色说明有乙烯生成,选项C正确;苯和液溴的反应中,挥发出的单质溴进入AgNO3溶液反应产生淡黄色沉淀,干扰了检验结果,选项D错误。
变式训练3(2020重庆九校联盟高二联考)下列鉴别方法不可行的是( )
A.用燃烧法鉴别乙醇、苯和四氯化碳
B.用酸性高锰酸钾溶液鉴别苯、己烯和己烷
C.用水鉴别乙醇、溴苯和甲苯
D.用碳酸钠溶液鉴别乙酸、乙醇和乙酸乙酯
答案 B
解析 乙醇燃烧有淡蓝色火焰,苯燃烧冒浓烟,四氯化碳不燃烧,现象不同,可鉴别,故A可行;苯、己烷均与高锰酸钾溶液不反应,分层现象相同,不能检验,故B不可行;乙醇与水互溶,甲苯与水混合后有机层在上层,溴苯与水混合后有机层在下层,则现象不同,可鉴别,故C可行;乙醇与碳酸钠溶液互溶,乙酸与碳酸钠溶液反应生成气体,乙酸乙酯与碳酸钠溶液分层,现象不同,可鉴别,故D可行。
素养脉络
随堂检测
1.(2020江西赣州高二线上检测)能够测定分子结构和化学键的方法是( )
①质谱 ②红外光谱 ③紫外光谱 ④核磁共振
A.①② B.③④
C.② D.①④
答案 C
解析 质谱仪可以测定分子的相对分子质量(质荷比最大处);红外光谱可以测定物质所含的化学键及官能团种类;核磁共振可以反映等效氢的种类及比值关系。
2.某有机化合物由碳、氢两种元素组成,其中含碳元素的质量分数为85.7%,在标准状况下,11.2 L此气态有机化合物的质量为14 g,则该有机化合物的分子式为( )
A.C2H4 B.C2H6
C.C3H6 D.C4H8
答案 A
3.某有机化合物6.4 g在氧气中完全燃烧,只生成8.8 g CO2和7.2 g H2O。下列说法正确的是( )
A.该有机化合物仅含碳、氢两种元素
B.该有机化合物中碳、氢原子个数比为1∶8
C.无法确定该有机化合物是否含有氧元素
D.该有机化合物中一定含有氧元素
答案 D
4.(2020安徽安庆高二期末)在核磁共振氢谱中出现两组峰,且信号峰面积之比为3∶1的化合物是( )
答案 A
5.(2020吉林白城通榆县第一中学高二月考)1 mol仅含C、H、O三种元素的有机化合物A在稀硫酸中水解生成1 mol B和1 mol C,B分子中N(C)∶N(H)=4∶5,135(1)C的分子式为 。
(2)B的分子具有高度对称性,苯环上的一氯取代物只有一种。B能与金属Na反应但不能与NaOH反应。写出B的结构简式: 。
(3)C有多种同分异构体,其中含苯环的酯类的同分异构体有 种。
解析 有机化合物A在稀硫酸中水解生成1 mol B和1 mol C,且B的分子具有高度对称性,苯环上的一氯取代物只有一种,说明B的苯环上有1种H原子,则B的取代基应相同,且分子对称,B能与金属Na反应但不能与NaOH反应,说明B中含有醇羟基,则C为酸,B中含有苯环,则C原子数应大于6,设B中含有8个C原子,则含有10个H原子,因结构对称,则至少含有2个—OH;如含有2个O原子,则相对分子质量为8×12+10+2×16=138,则符合135第2节 有机化合物结构的测定
基础课时19 有机化合物结构的测定
第3章 有机合成及其应用 合成高分子化合物
必备知识·自主预习储备
NO.1
官能团
分子式
CO2
H2O
SO2
C、H
O
C、H
不含
√
×
√
1
1
1
2
4
2
紫色溶液褪色
橙红色溶液褪色
FeCl3
溴水
砖红色
二氧化碳气体
CH3—O—CH3
1
3
CH3CH2OH
1.6
2.2
0.2
0.4
C8H11NO2
C8H11NO2
—C≡C—
—CN
—NO2
关键能力·情境探究达成
NO.2
学习任务1
学习任务2
探究确定有机物分子式的方法
探究确定有机物结构的方法
学习效果·随堂评估自测
NO.3
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
1
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有机化合物
定性定
相对分子
量分析
质量测定
化学分析或
相对分子质量仪器分析
分子式
及碳骨架状况
分子结构
w目
