微项目 青蒿素分子的结构测定
——晶体在分子结构测定中的应用
学习目标 1.了解测定分子结构的一般思路与方法,认识晶体对于分子结构测定的独特意义。2.知道利用晶体X射线衍射能够测定原子坐标进而确定分子的空间结构,是测定分子结构的重要手段。3.体会分子结构测定对于建立与优化物质结构理论模型,认识、解释和预测物质性质具有重要价值。
一、了解利用晶体测定分子结构的意义
【情景素材】 青蒿素的组成与结构的测定
测定方法 获得的分子组成与结构信息
高分辨 质谱仪 测定出青蒿素的相对分子质量为282.33,结合元素分析,确定其分子式为C15H22O5
氧化还原 反应实验 推测青蒿素具有含过氧基团的倍半萜内酯结构
红外光谱 青蒿素分子中含有酯基和过氧基团
核磁 共振谱 结合核磁共振谱图提供的关于碳、氢原子的种类和数量的信息,推定了青蒿素中甲基、过氧基团、带有酯基的六元环等部分结构片段
晶体X 射线衍射 确定了青蒿素的分子结构
【问题讨论】
1.测定青蒿素分子结构时,科研人员遇到了什么困难
_________________________________________________________________________________
_________________________________________________________________________________
2.为什么用一般的方法无法精确地测定青蒿素的分子结构
_________________________________________________________________________________
_________________________________________________________________________________
【核心归纳】
晶体X射线衍射法测定分子结构的程序
1.中国女药学家屠呦呦因发现青蒿素对疟疾的治疗作用而成为2015年诺贝尔生理学或医学奖获得者之一。下列说法不正确的是 ( )
A.利用青蒿研究青蒿素结构的基本步骤:元素分析确定实验式→测定相对分子质量确定分子式→波谱分析确定结构式
B.青蒿素的分子式为C15H22O5,它属于有机物
C.人工合成青蒿素经过了长期的实验研究,实验是化学研究的重要手段
D.现代化学分析测试中,可用元素分析仪确定青蒿素中的C、H、O元素
2.中国女药学家屠呦呦因创制新型抗疟药青蒿素和双氢青蒿素而获得2015年诺贝尔生理学或医学奖。关于青蒿素和双氢青蒿素(结构如下)的下列说法,错误的是 ( )
A.青蒿素的分子式为C15H22O5
B.由青蒿素制备双氢青蒿素的反应属于加成反应
C.青蒿素分子中含有过氧键和酯基、醚键
D.双氢青蒿素分子中不含有不对称碳原子
3.我国科学家屠呦呦因发现青蒿素(一种用于治疗疟疾的药物)而获得诺贝尔生理学或医学奖。青蒿素(C15H22O5)的结构如图所示。请回答下列问题:
(1)组成青蒿素的三种元素电负性由大到小的排序是 ,基态O原子核外存在 对自旋相反的电子。
(2)下列关于青蒿素的说法正确的是 (填序号)。
a.青蒿素中既存在极性键又存在非极性键
b.在青蒿素分子中,所有碳原子均处于同一平面
c.图中数字标识的五个碳原子均只以σ键与其他原子相连
(3)在确定青蒿素结构的过程中,可采用NaBH4作为还原剂,其制备方法为4NaH+B(OCH3)3→NaBH4+3CH3ONa
①NaH为 晶体,如图是NaH晶胞结构,则NaH晶体中Na+的配位数是 ,若晶胞结构棱长为a,则Na+间最小核间距为 。
②B(OCH3)3中B采用的杂化类型是 。写出两个与B(OCH3)3具有相同空间结构的分子或离子 。
③NaBH4结构如图所示,结构中存在的作用力有
。
二、借助原子位置确定分子空间结构
借助晶体X射线衍射测定分子结构的基本思路
4.在研究有机物的组成和结构时,可用于确定化学键和官能团信息的方法是 ( )
A.质谱法 B.红外光谱法
C.核磁共振氢谱法 D.燃烧法
5.(2023·天津红桥区期末)下列方法常用于测定晶体结构的是 ( )
A.质谱法 B.红外光谱法
C.X射线衍射法 D.核磁共振氢谱法
6.青蒿素的结构简式如图所示,下列有关青蒿素的叙述不正确的是 ( )
A.组成青蒿素的三种元素C、H、O中,O元素的第一电离能最大
B.青蒿素分子结构中存在极性键、非极性键、离子键
C.青蒿素分子中的共价键包括σ键和π键
D.红外光谱显示青蒿素有三种官能团
微项目 青蒿素分子的结构测定
——晶体在分子结构测定中的应用
一、问题讨论
1.提示 不能精确判断青蒿素分子中所有碳原子和氧原子以何种方式连接成碳骨架。
2.提示 一般的测定方法只能帮助我们认识分子的官能团等结构特点并借此推测分子的结构,但对于所含原子数较多的分子来说,难以精准判断其空间结构。
对点训练
1.A [利用青蒿研究青蒿素结构的基本步骤为分离、提纯→元素分析确定实验式→测定相对分子质量确定分子式→波谱分析确定结构式,A不正确;青蒿素属于有机物,B正确;实验是化学研究的重要手段之一,C正确;现代化学分析测试中,可用元素分析仪确定青蒿素中的C、H、O元素,D正确。]
2.D [由结构简式可知青蒿素的分子式为C15H22O5,故A正确;青蒿素与氢气发生加成反应生成双氢青蒿素,属于加成反应,故B正确;由结构简式可知青蒿素分子中含有过氧键和酯基、醚键,故C正确;由结构可知,双氢青蒿素中存在同碳上连接四个不同基团的碳原子,故D错误。]
3.(1)O>C>H 3 (2)a
(3)①离子 6 a ②sp2 SO3、C(合理即可)
③离子键、配位键、共价键
解析 (1)组成青蒿素的三种元素为H、C、O,根据元素的非金属性越强,电负性越强可知,非金属性:O>C>H,则H、C、O三种元素的电负性由大到小的顺序是O>C>H;在基态O原子中,核外有8个电子,其中有3个轨道有成对电子,则核外存在3对自旋相反的电子。(2)a.青蒿素中存在O—O键、C—C键,为非极性键,C—O键、C—H键为极性键,正确;b.含有饱和碳原子,具有烷烃的结构,则所有碳原子不处于同一平面,错误;c.CO键含有π键,错误。(3)①NaH为离子晶体,NaH晶体中每个Na+周围有6个H-,若晶胞棱长为a,则Na+间最小核间距为a。②B(OCH3)3中B与3个O原子成键,为sp2杂化,B(OCH3)3的空间结构为平面三角形,与B(OCH3)3具有相同空间结构的分子或离子可为SO3、C。③B原子核最外层有3个电子,NaBH4中存在离子键、配位键和共价键。
二、对点训练
4.B [质谱法用于测定有机物的相对分子质量,不能测定出有机物的化学键和官能团,A错误;红外光谱仪能测定出有机物的官能团和化学键,B正确;核磁共振氢谱用于测定有机物分子中氢原子的种类和数目,不能测定出有机物的化学键和官能团,C错误;燃烧法用于元素的定性分析和定量测定,不能确定化学键和官能团信息,D错误。]
5.C [质谱仪是把有机物打成很多小碎片,会有很多不同的分子量出现,其中最大的那个就是该有机物的分子量,所以质谱法常用于测定有机物的相对分子质量,故A错误;红外光谱是用于鉴定有机物中所含官能团种类,如双键、三键、羟基、羧基、羰基等,故B错误;X射线衍射法,用于测定晶体结构,故C正确;核磁共振氢谱是检验不同环境的H的数量,有多少种不同的H就有多少个吸收峰,各个峰的高度大致上能显示各种H的数量比例,无法确定有机物的相对分子质量,故D错误。]
6.B [C、H、O的第一电离能:C微项目 青蒿素分子的结构测定
——晶体在分子结构测定中的应用
第 章 不同聚集状态的物质与性质
3
1.了解测定分子结构的一般思路与方法，认识晶体对于分子结构测定的独特意义。
2.知道利用晶体X射线衍射能够测定原子坐标进而确定分子的空间结构，是测定分子结构的重要手段。
3.体会分子结构测定对于建立与优化物质结构理论模型，认识、解释和预测物质性质具有重要价值。
学习目标
一、了解利用晶体测定分子结构的意义
二、借助原子位置确定分子空间结构
目
录
CONTENTS
一、了解利用晶体测定分子结构的意义
对点训练
【情景素材】 青蒿素的组成与结构的测定
测定方法 获得的分子组成与结构信息
高分辨质谱仪 测定出青蒿素的相对分子质量为282.33，结合元素分析，确定其分子式为C15H22O5
氧化还原反应实验 推测青蒿素具有含过氧基团的倍半萜内酯结构
红外光谱 青蒿素分子中含有酯基和过氧基团
测定方法 获得的分子组成与结构信息
核磁共振谱 结合核磁共振谱图提供的关于碳、氢原子的种类和数量的信息，推定了青蒿素中甲基、过氧基团、带有酯基的六元环等部分结构片段
晶体X射线衍射 确定了青蒿素的分子结构
【问题讨论】
1.测定青蒿素分子结构时，科研人员遇到了什么困难？
提示 不能精确判断青蒿素分子中所有碳原子和氧原子以何种方式连接成碳骨架。
2.为什么用一般的方法无法精确地测定青蒿素的分子结构？
提示 一般的测定方法只能帮助我们认识分子的官能团等结构特点并借此推测分子的结构，但对于所含原子数较多的分子来说，难以精准判断其空间结构。
【核心归纳】
晶体X射线衍射法测定分子结构的程序
1.中国女药学家屠呦呦因发现青蒿素对疟疾的治疗作用而成为2015年诺贝尔生理学或医学奖获得者之一。下列说法不正确的是( )
A.利用青蒿研究青蒿素结构的基本步骤：元素分析确定实验式→测定相对分子质量确定分子式→波谱分析确定结构式
B.青蒿素的分子式为C15H22O5，它属于有机物
C.人工合成青蒿素经过了长期的实验研究，实验是化学研究的重要手段
D.现代化学分析测试中，可用元素分析仪确定青蒿素中的C、H、O元素
A
解析 利用青蒿研究青蒿素结构的基本步骤为分离、提纯→元素分析确定实验式→测定相对分子质量确定分子式→波谱分析确定结构式，A不正确；青蒿素属于有机物，B正确；实验是化学研究的重要手段之一，C正确；现代化学分析测试中，可用元素分析仪确定青蒿素中的C、H、O元素，D正确。
2.中国女药学家屠呦呦因创制新型抗疟药青蒿素和双氢青蒿素而获得2015年诺贝尔生理学或医学奖。关于青蒿素和双氢青蒿素(结构如下)的下列说法，错误的是( )
D
A.青蒿素的分子式为C15H22O5
B.由青蒿素制备双氢青蒿素的反应属于加成反应
C.青蒿素分子中含有过氧键和酯基、醚键
D.双氢青蒿素分子中不含有不对称碳原子
解析 由结构简式可知青蒿素的分子式为C15H22O5，故A正确；青蒿素与氢气发生加成反应生成双氢青蒿素，属于加成反应，故B正确；由结构简式可知青蒿素分子中含有过氧键和酯基、醚键，故C正确；由结构可知，双氢青蒿素中存在同碳上连接四个不同基团的碳原子，故D错误。
3.我国科学家屠呦呦因发现青蒿素(一种用于治疗疟疾的药物)而获得诺贝尔生理学或医学奖。青蒿素(C15H22O5)的结构如图所示。请回答下列问题：
(1)组成青蒿素的三种元素电负性由大到小的排序是________，基态O原子核外存在________对自旋相反的电子。
O＞C＞H
3
(2)下列关于青蒿素的说法正确的是________(填序号)。
a.青蒿素中既存在极性键又存在非极性键
b.在青蒿素分子中，所有碳原子均处于同一平面
c.图中数字标识的五个碳原子均只以σ键与其他原子相连
a
(3)在确定青蒿素结构的过程中，可采用NaBH4作为还原剂，其制备方法为4NaH＋B(OCH3)3→NaBH4＋3CH3ONa
①NaH为________晶体，如图是NaH晶胞结构，则NaH晶体中Na＋的配位数是
________，若晶胞结构棱长为a，则Na＋间最小核间距为________。
离子
6
②B(OCH3)3中B采用的杂化类型是________。写出两个与B(OCH3)3具有相同空间结构的分子或离子_____________________________。
③NaBH4结构如图所示，结构中存在的作用力有________________________。
sp2
离子键、配位键、共价键
二、借助原子位置确定分子空间结构
对点训练
借助晶体X射线衍射测定分子结构的基本思路
4.在研究有机物的组成和结构时，可用于确定化学键和官能团信息的方法是( )
A.质谱法 B.红外光谱法 C.核磁共振氢谱法 D.燃烧法
解析 质谱法用于测定有机物的相对分子质量，不能测定出有机物的化学键和官能团，A错误；红外光谱仪能测定出有机物的官能团和化学键，B正确；核磁共振氢谱用于测定有机物分子中氢原子的种类和数目，不能测定出有机物的化学键和官能团，C错误；燃烧法用于元素的定性分析和定量测定，不能确定化学键和官能团信息，D错误。
B
5.(2023·天津红桥区期末)下列方法常用于测定晶体结构的是( )
A.质谱法 B.红外光谱法 C.X射线衍射法 D.核磁共振氢谱法
解析 质谱仪是把有机物打成很多小碎片，会有很多不同的分子量出现，其中最大的那个就是该有机物的分子量，所以质谱法常用于测定有机物的相对分子质量，故A错误；红外光谱是用于鉴定有机物中所含官能团种类，如双键、三键、羟基、羧基、羰基等，故B错误；X射线衍射法，用于测定晶体结构，故C正确；核磁共振氢谱是检验不同环境的H的数量，有多少种不同的H就有多少个吸收峰，各个峰的高度大致上能显示各种H的数量比例，无法确定有机物的相对分子质量，故D错误。
C
6.青蒿素的结构简式如图所示，下列有关青蒿素的叙述不正确的是( )
B
A.组成青蒿素的三种元素C、H、O中，O元素的第一电离能最大
B.青蒿素分子结构中存在极性键、非极性键、离子键
C.青蒿素分子中的共价键包括σ键和π键
D.红外光谱显示青蒿素有三种官能团
解析 C、H、O的第一电离能：C
