(共39张PPT)
第3章 有机合成及其应用 合成高分子化合物
第2节 有机化合物结构的测定
研究有机物的结构有助于工农业生产及其医疗服务等,怎么研究研究有机物的结构 其常见的方法有哪些?
1.认识有机化合物的分子结构决定于原子间的连接顺序,成键方式和空间排布,认识有机化合物存在构造异构和立体异构等同分异构现象。
2.知道红外、核磁等现代仪器分析方法在有机化合物分子结构测定中的应用。能说出测定有机化合物分子结构的常用仪器分析方法,能结合简单图谱信息分析判断有机化合物的分子结构。
1. 可以通过分析推理等方法认识有机合成的本质特征,建立研究有机分子式和结构式的具体模型,并能运用相关的模型进行有机化合物结构式和分子式的测定.从而确定有机化合物的性质。(证据推理与模型认知)
2. 能从有机物的结构出发,依据有机化合物结构的特点。确定有机化合物中各种官能团,预测有机物的性质,养成勤于实践、善于合作、敢于质疑、勇于创新的学科素养。(科学探究与创新意识)
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课
堂
联想·质疑
当人们从自然界中得到某一新化合物并将其提纯以后,测定其结构就是最重要的工作了。只有确定了这种化合物分子的结构,才能进一步了解和应用这种化合物。
在有机合成中,对天然产物合成的首要工作就是测定目标化合物分子的结构;而对人工设计的有机化合物,在合成后也必须测定其结构才能确定它是否就是目标产物。
那么,怎样对有机化合物进行结构测定呢?结构测定在有机化学中有什么重要作用?
学习目标
元素组成
相对分子质量
分子式
官能团及碳骨架状况
分子结构
问题:测定有机物结构有哪两个核心步骤?
有机化合物
确定分子式有哪两个步骤?
定性定量分析
化学分析或仪器分析
相对分子质量测定
从自然界提取或通过人工合成的有机化合物通常含有杂质,需要通过分离、提纯后才能进行结构测定,常见的分离、提纯有机化合物的方法有蒸馏、重结晶和萃取等。
蒸馏是分离、提纯液态有机化合物的常用方法。当液态有机化合物热稳定性较强、含有的杂质量较少且与杂质沸点有显著差别(一般大于 30 ℃)时,可用蒸馏的方法提纯。
分离、提纯有机化合物的常见方法
方法导引
重结晶是分离、提纯固态有机化合物的常用方法。其原理是利用有机化合物在某种溶剂中的溶解度受温度影响较大,加热使其溶解于溶剂中,再降温使其溶解度下降,从而析出该有机化合物的结晶。重结晶的关键包括:(1)选择适当的溶剂。杂质在此溶剂中的溶解度较大或较小,易于除去;被提纯的有机化合物在此溶剂中温度较高时溶解度较大,温度降低时溶解度迅速减小,冷却后易于结晶析出。(2)样品中杂质含量较少(通常质量分数小于 5%)。
萃取是富集有机化合物的常用方法,一般是用有机溶剂从水中萃取有机化合物,常用的与水互不相溶的有机溶剂有乙醚、石油醚、二氯甲烷等。萃取后通常还需要利用蒸馏、反萃取等方法将待测有机化合物与有机溶剂进一步分离。
一、有机化合物分子式的确定
组成有机化合物的元素种类并不多,最常见的是碳、氢、氧、氮、卤素等元素,各元素的质量分数通常需要借助有机化合物的化学性质进行定量测定。得知碳、氢、氮、卤素等元素的质量分数后,若总和小于100%,其差值一般就是氧元素的质量分数。
测定碳、氢元素的质量分数最常用的方法是燃烧分析法,其程序为:将样品置于氧气流中燃烧,燃烧后生成的水和二氧化碳分别用吸水剂和碱液吸收,称重后即可分别计算出样品中碳、氢元素的质量分数。
确定了有机化合物的元素组成后,还要测定其相对分子质量。测定有机化合物相对分子质 量的方法很多,使用质谱仪进行测定 就是常用的一一种。
拓展视野
有机化合物元素组成的测定
卤素质量分数的测定 : 将含有卤素的有机化合物与发烟硝酸和固体硝酸银一同放入密闭体系中加热,卤素原子转变为卤素离子并生成卤化银沉淀。
拓展视野
有机化合物元素组成的测定
小结:
二、有机化合物结构式的确定
测定有机化合物的结构关键是:确定分子的不饱和度及典型的化学性质,进而确定分子所含有的官能团及其所处的位置。
化学键 不饱和度 化学键 不饱和度
一个碳碳双键 __ 一个碳碳三键 __
一个羰基 __ 一个苯环 ___
一个脂环 __ 一个氰基(—CN) ___
几种官能团的不饱和度
1
2
1
4
1
2
1.有机化合物分子不饱和度的计算
方法导引
如何计算有机化合物分子的不饱和度
有机化合物分子的不饱和度为:
式中:x 为碳原子数,y 为氢原子数。
在计算不饱和度时,若有机化合物分子含有卤素原子,可将其视为氢原子;若含有氧原子,则不予考虑;若含有氮原子,就在氢原子总数中减去氮原子数。
例如,分子式为C6H5NO2 的分子的不饱和度为
练习:试分析下列物质的不饱和度 (X为卤素原子):
①Ω=
②Ω=
③Ω=
4
6
5
即时巩固
2、确定有机化合物的官能团的
活动·探究
有机化合物中常见官能团的检验
实验 1 利用官能团性质鉴别有机化合物
实验用品
待鉴别试剂(乙醇溶液、乙醛溶液、乙酸溶液、苯酚溶液),FeCl3 溶液,NaHCO3 溶液,10% NaOH溶液,2% CuSO4 溶液,酸性 KMnO4 溶液;
pH 试纸,试管,烧杯,胶头滴管,玻璃棒,酒精灯,表面皿,镊子,滤纸,试管夹等。
实验室中有四瓶标签模糊的无色溶液,分别是乙醇溶液、乙醛溶液、乙酸溶液和苯酚溶液。你能用化学方法将它们鉴别出来吗?
实验目的 通过官能团检验,鉴别乙醇、乙醛、乙酸、苯酚。
实验方案设计
1. 分析乙醇、乙醛、乙酸、苯酚四种有机化合物中的官能团,明确含有这些官能团的有机化合物可能具有的性质。
(2)乙醇官能团为醇羟基—活泼金属反应、被强氧化剂氧化
(1)苯酚中的官能团酚羟基—与FeCl3溶液显色反应。
(4)乙酸官能团为羧基—酸性
(3)乙醛官能团为醛基—还原性(被弱氧化剂新制氢氧化铜氧化)
2. 选择用于鉴别四种物质的化学反应。
3. 给样品编号,设计实验操作过程,用实验流程图说明操作方案,完成鉴别。
①
②
③
④
①溶液澄清,蓝色
生成砖红色沉淀
显紫色溶液
无现象
②
②
③
③
④
④
④
③
新制氢氧化铜悬浊液
加入FeCl3溶液
加热
实验方案实施
实验内容 实验现象 实验结论
步骤Ⅰ:向盛这4种溶液的试管①、②、③、④中分别加入新制氢氧化铜悬浊液。
步骤Ⅱ:分别对步骤Ⅰ中的②③④支试管进行加热。
步骤Ⅲ:③④2支试管,分别加入FeCl3溶液,
①中溶液澄清,
蓝色, ②③④中无此变化;
②生成砖红色沉淀,
③④中无此变化;
③中显紫色溶液,
④中无此变化。
①中为CH3COOH
②中为CH3CHO
③中为苯酚
④中为CH3CH2OH
实验 2 推断有机化合物中的官能团(选做)
阿司匹林是一种历史悠久的解热镇痛药,用于治疗感冒、发热、头痛、牙痛、关节痛等,还能抑制血小板聚集。阿司匹林微溶于水,化学式为 C9H8O4,分子含有苯环,不含其他环状结构。阿司匹林中还有哪些官能团?你能用化学方法推断出来吗?
阿司匹林药片,酸性 KMnO4 溶液,FeCl3溶液,NaHCO3 溶液,稀硫酸,10% NaOH 溶液,2% CuSO4 溶液,铜丝;
pH 试纸,试管,烧杯,胶头滴管,酒精灯,研钵,镊子,玻璃棒,表面皿,滤纸,三脚架,石棉网,试管夹等
实验目的
利用化学方法检验阿司匹林中的官能团。
实验用品
实验方案设计及实施
1. 列出阿司匹林分子中连接在苯环上的官能团组合的所有可能情况。
2. 选择易于检验的官能团,设计实验方法和顺序检验官能团的种类。
提示:其他的官能团可能是醛基、酯基、碳碳双键、碳碳三键、羟基、羧基等。
提示:取一片阿司匹林药片在研钵中研碎,取1小匙粉末于小试管中,加2mL水溶解,取清液进行实验。
实验结论
综合上述实验结果推断,阿司匹林中的官能团是
羧基
酯基
案例:某种医用胶的结构测定
在《探秘神奇的医用胶》微项目学习中,我们了解了 α- 氰基丙烯酸酯类医用胶的性能及结构特点,并尝试对其结构进行改良。下面,我们将探讨如何测定这类医用胶的分子结构。
确定分子式
1. 测定实验式。
燃烧 30.6 g 某种医用胶样品,实验测得生成70.4 g 二氧化碳、19.8 g 水、2.24 L 氮气(已换算为标准状况),请通过计算确定其实验式。
实验式为C8H11NO2。
计算过程
①
②
③
④
⑤
2.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,请确定其分子式。
设该化合物的分子式为(C8H11NO2)n,则153.0n = 153.0, n =1,
则该化合物的分子式为C8H11NO2。
推导结构式
1. 计算该样品分子的不饱和度,推测分子中是否有苯环、碳碳双键、碳碳三键或碳氧双键。
2. 用化学方法推断样品分子中的官能团。
利用该医用胶样品分别做如下实验:
① 加入溴的四氯化碳溶液,橙红色溶液褪色;
② 加 入 (NH4)2Fe(SO4)2 溶 液、 硫 酸 及KOH 的甲醇溶液,无明显变化;
③ 加入NaOH 溶液并加热,有氨气放出。
请依据上述实验现象推测该样品分子可能含有哪些官能团。
③加入NaOH溶液并加热,有氨气放出,说明含有—CN。
②加入(NH4)2Fe(SO4)2溶液、硫酸及KOH的甲醇溶液,无明显变化,说明不含有—NO2。
①加入溴的四氯化碳溶液,橙红色褪去,说明可能含有 键或—C≡C—键。
3. 波谱分析。
(1)测得医用胶样品的红外光谱图如下
(2)测得医用胶样品的核磁共振氢谱图如下:
4. 综上所述,该样品分子的结构简式为
碳碳双键
氰基
酯基
有机物的测定
推测化学键
计算不饱和度
判断官能团
定性实验
仪器图谱
推断物质结构
元素质量分数
实验式、化学式
仪器图谱
质谱图、红外光谱
紫外光谱、核磁共振谱
B
1.某有机化合物在氧气中充分燃烧,生成水蒸气和CO2物质的量之比为1∶1,由此得出的结论是( )
A.该有机化合物分子中C、H、O原子个数比为1∶2∶3
B.分子中C、H原子个数比为1∶2
C.有机化合物中必定含有氧 D.有机化合物中一定不含氧
B
2.下列说法不正确的是( )
A.有机分子中插入O原子对不饱和度没有影响
B.有机分子中去掉H原子对不饱和度没有影响
C.用CH原子团代替有机分子中的N原子对有机分子的不饱和度没有影响
D.烷烃和饱和一元醇的不饱和度都为0
3.鉴别环己醇( )和3,3 二甲基丁醛,可采用化学方法或物理方法,下列方法中不能对二者进行鉴别的是( )
A.利用金属钠或金属钾 B.利用质谱法
C.利用红外光谱法 D.利用核磁共振氢谱
B
4.某小组在实验室研究一种有机物,按顺序采取以下步骤确定其结构,采用的方法不正确的是( )
A.利用沸点不同蒸馏提纯该有机物
B.利用燃烧法确定该有机物的实验式为C2H6O
C.利用核磁共振氢谱确定该有机物的相对分子质量为46
D.利用红外光谱图确定该有机物分子中含O—H键
C
5.某有机化合物只含C、H、O三种元素,取4.6 g该有机化合物完全燃烧,测得只生成0.2 mol CO2和5.4 g水,其质谱图和核磁共振氢谱如下图所示,该有机化合物是( )
A.CH3CHO B.CH3CH2OH
C.CH3OCH3 D.CH3OCH2CH3
B