第2节 有机化合物结构的测定
第1课时 有机化合物分子式和结构式的确定
课标定向
1.了解研究有机化合物的基本步骤,能进行确定有机化合物分子式的简单计算,建立研究有机物分子式和结构式的模型。(证据推理与模型认知)
2.知道现代仪器分析方法在有机化合物分子结构测定中的应用,能利用化学检验方法确定官能团的存在。(科学探究与创新意识)
一、测定有机化合物结构的流程
1.核心步骤:测定有机化合物结构的核心步骤是确定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.流程示意图
3.分离、提纯有机化合物的常见方法
(1)蒸馏:液态有机化合物热稳定性较强,含有的杂质较少且与杂质的沸点有显著差别(一般大于30℃)时,可用蒸馏的方法提纯。
(2)重结晶:
①原理: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,从而析出有机化合物的结晶。
②关键:适当的溶剂、样品中杂质含量较少。
(3)萃取:
①一般是用有机溶剂从水中萃取有机化合物。
②常用的与水互不相溶的有机溶剂:乙醚、石油醚、二氯甲烷等。
二、有机化合物分子式的确定
1.有机化合物元素组成的测定方法及步骤
2.有机物相对分子质量的测定
(1)通过实验,根据有关数据求算相对分子质量。
(2)有机物的相对分子质量一般用质谱仪进行测定。
[点拨]
根据有机物燃烧产物有二氧化碳和水并不能确定有机物中是否有氧元素,要确定氧元素,还要验证有机物的质量是否和二氧化碳和水中的碳氢元素相等,如果相等则没有氧元素,如果有机物质量大于二氧化碳和水中的碳氢元素质量,则证明有氧元素。
三、有机化合物结构式的确定
1.确定有机化合物结构式的流程
2.有机化合物分子不饱和度的计算
(1)计算公式
①公式:分子的不饱和度=x+1-,其中:x为碳原子数,y为氢原子数。
②说明:在计算不饱和度时,若有机化合物分子中含有卤素原子,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。
(2)几种基团的不饱和度
基团 不饱和度 基团 不饱和度
一个碳碳 双键 1 一个碳碳 三键 2
一个羧基 1 一个苯环 4
一个脂环 1 一个氰基 2
3.确定有机化合物的官能团
(1)
官能团 种类 试 剂 判断依据
碳碳双键 或 碳碳三键 溴的四氯化碳溶液 橙红色溶液褪色
酸性KMnO4溶液 紫色溶液褪色
卤素原子 NaOH溶液(加热)、稀硝酸、AgNO3溶液 有沉淀产生,根据沉淀的颜色判断卤素的种类
醇羟基 钠 有氢气放出
酚羟基 FeCl3溶液 显色
溴水 有白色沉淀产生
醛基 银氨溶液(水浴) 有银镜生成
新制氢氧化铜悬浊液 (加热) 有砖红色沉淀产生
羧基 NaHCO3溶液 有二氧化碳 气体放出
(2)物理方法:通过紫外和可见光谱(UV)、红外光谱(IR)、质谱(MS)及核磁共振谱(NMR)等,能快速准确地确定有机化合物分子的结构。
[思考]
茉莉醛具有浓郁的茉莉香气,可用于配制果香型食用香精。
茉莉醛的结构如图所示:
。
如何检验分子中的碳碳双键
提示:由于溴水也能氧化醛基,所以必须先用银氨溶液氧化醛基,又因为氧化后溶液为碱性,溴水能与碱反应,应先加酸酸化后再用溴水检验碳碳双键。
【质疑辨析】
(1)可燃有机物中碳、氢元素的质量分数可通过燃烧分析法求得。 (√)
提示:有机物燃烧产生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碳、氢元素的质量分数。
(2)在有机物样品中加入酸性KMnO4溶液,紫色褪去,说明有机物中一定含有碳碳双键或三键。 (×)
提示:含有醛基、羟基等的有机物也能使酸性KMnO4溶液褪色。
(3)只要通过定性定量分析得到有机物的元素组成,即可确定有机物的分子式。 (×)
提示:要想确定有机物的分子式,除了元素组成外,还需测定其相对分子质量。
(4)有机化合物分子式一定不与其最简式相同。 (×)
提示:有些有机化合物的分子式与其最简式相同,如甲烷CH4、甲醛CH2O、甲酸CH2O2等。
(5)燃烧0.1 mol某有机化合物得到0.2 mol CO2和0.3 mol H2O,不能由此确定有机化合物的分子式。 (√)
提示:凭此条件只能确定有机物分子中C、H原子个数,无法确定是否含有O原子。
探究任务一:有机化合物分子式的确定
【导学探究】
已知2.3 g某有机物完全燃烧后生成4.4 g二氧化碳和2.7 g水。
探究点:氢元素、碳元素与有机物分子式的确定
(1)由上述信息判断,原有机物中碳元素的物质的量和质量为多少
提示:该有机物中含n(CO2)==0.1 mol,说明n(C)=0.1 mol,m(C)=0.1 mol×
12 g·mol-1=1.2 g。
(2)由上述信息判断,原有机物中氢元素的物质的量和质量为多少
提示:该有机物中含n(H2O)==0.15 mol,说明n(H)=0.3 mol,m(H)=
0.3 mol×1 g·mol-1=0.3 g。
(3)通过上述计算能否确定有机物中是否有氧元素 如果有,氧元素的物质的量是多少 (如果没有,此问不用回答)
提示:因2.3 g>(1.2 g+0.3 g),故该有机物中还含有氧元素n(O)==
0.05 mol。
(4)由以上可知有机物的最简式是什么 要想知道分子式,是否需要知道相对分子质量
提示:由计算可知n(C)∶n(H)∶n(O)=2∶6∶1,所以最简式是C2H6O,因为氢原子已经达到饱和,所以这就是分子式,不需要再知道相对分子质量。
【归纳总结】
1.确定有机化合物分子式的一般途径
2.确定有机物相对分子质量的方法
(1)公式法
①M=(M表示摩尔质量,m表示质量,n表示物质的量)。
②已知有机物蒸气在标准状况下的密度:M=22.4ρ(注意密度的单位)。
③已知有机物蒸气与某气体物质(相对分子质量为M')在相同状况下的相对密度为D,则M=M'D。
(2)其他方法
①根据化学方程式计算确定。
②利用质谱法测定。
3.确定有机化合物分子式的方法
(1)实验式法
由各元素的质量分数→求各元素的原子个数之比(实验式)→相对分子质量→求分子式。
(2)物质的量关系法
由密度或其他条件→求摩尔质量→求1 mol分子中所含各元素原子的物质的量→求分子式。
(3)化学方程式法
利用化学方程式求分子式。
(4)燃烧通式法
利用燃烧通式和相对分子质量求分子式。
CxHy+(x+)O2xCO2+H2O
CxHyOz+(x+-)O2xCO2+H2O
由于x、y、z相对独立,借助通式进行计算,解出x、y、z,最后求出分子式。
(5)利用各类有机物的分子式通式和相对分子质量确定
类别 通式 相对分子质量
烷烃 CnH2n+2 Mr=14n+2(n≥1)
环烷烃,烯烃 CnH2n Mr=14n(烯烃n≥2,环烷烃n≥3)
二烯烃,炔烃 CnH2n-2 Mr=14n-2(炔烃n≥2,二烯烃n≥4)
苯及苯的同系物 CnH2n-6 Mr=14n-6(n≥6)
饱和醇 CnH2n+2Ox Mr=14n+2+16x
饱和一元醛 CnH2nO Mr=14n+16
饱和一元羧酸 CnH2nO2 Mr=14n+32
饱和一元酯 CnH2nO2 Mr=14n+32
【针对训练】
1.(双选)在氧气中充分燃烧0.2 mol某有机物,得到0.4 mol CO2和10.8 g H2O,由此可得出的结论是 ( )
A.1个该有机物分子中只含有2个碳原子和6个氢原子
B.该有机物中碳原子和氢原子的个数比为1∶3
C.1个该有机物分子中含有2个CO2和3个H2O
D.1个该有机物分子中含有2个碳原子和6个氢原子,可能含有氧原子
【解析】选B、D。在氧气中充分燃烧0.2 mol某有机物,得到0.4 mol CO2(含
0.4 mol C原子)和10.8 g H2O,即0.6 mol H2O(含1.2 mol H原子),根据元素守恒,可知1个该有机物分子中含有2个碳原子和6个氢原子,无法确定其是否含有氧原子,故B、D项正确。
2.有机化合物A的相对分子质量大于110,小于150。经分析得知,其中碳和氢的质量分数之和为52.24%,其余为氧。请回答:
(1)该化合物分子中含有氧原子数为____。
(2)该化合物的摩尔质量是________。
(3)该化合物分子式为________。
【解析】A中O的质量分数为1-52.24%=47.76%。若A的相对分子质量为150,其中O原子个数为=4.477 5;若A的相对分子质量为110,其中O原子个数为=3.283 5。实际O原子个数介于3.283 5和4.477 5之间,即O原子个数为4。A的相对分子质量为≈134,则A的摩尔质量为134 g·mol-1。其中C、H的相对原子质量之和为134-16×4=70,利用商余法可得:=5……10,可确定有机物A的分子式为C5H10O4。
答案:(1)4 (2)134 g·mol-1 (3)C5H10O4
[拓展思考]
(1)该化合物的不饱和度为多少
提示:有机物A的分子式为C5H10O4,故A分子的不饱和度为5+1-=1。
(2)若A可发生银镜反应,结构中无支链,且有一个甲基,试写出符合上述条件的有机物A的一种同分异构体的结构简式。
提示:由于有机物A能发生银镜反应,且无支链,故A中含有一个醛基,由于A的不饱和度为1,故其他三个氧原子可以为羟基的形式,再结合A中含有1个甲基,故A的一种同分异构体的结构简式为。
探究任务二:有机化合物结构的测定
【导学探究】
某实验兴趣小组欲探究某有机物的结构,设计了如下实验:
实验 步骤 实验操作
1 测得A的蒸气密度是相同状况下甲烷的4.375倍
2 将5.6 g A在足量纯O2中充分燃烧,并使其产物依次缓缓通过浓硫酸、碱石灰,发现两者分别增重7.2 g和17.6 g
3 将A通入溴水中,溴水褪色
4 A的核磁共振氢谱如图: 由图像可知,核磁共振氢谱共有4组吸收峰,且峰面积之比为1∶1∶2∶6
探究点:有机物结构式的确定
(1)由上述步骤1可知A的相对分子质量是多少
提示:相同条件下,气体的相对分子质量之比等于密度之比,所以有机化合物A的摩尔质量为16 g·mol-1×4.375=70 g·mol-1,即A的相对分子质量为70。
(2)由上述步骤2可知A的实验式是什么 A的分子式是什么
提示:浓硫酸增重7.2 g,则n(H2O)=7.2 g÷18 g·mol-1=0.4 mol,所含有n(H)=0.8 mol,碱石灰增重17.6 g,则n(CO2)=17.6 g÷44 g·mol-1=0.4 mol,所以n(C)=0.4 mol,m(C)+
m(H)=0.4 mol×12 g·mol-1+0.8 mol×1 g·mol-1=5.6 g,故A不含氧元素,A分子中C、H原子数目之比=0.4∶0.8=1∶2,故其实验式为CH2,设A的分子式为(CH2)x,则14x=70,故x=5,则A的分子式为C5H10。
(3)步骤3说明A属于哪类物质
提示:A的分子式为C5H10,将A通入溴水中,溴水褪色,说明A分子中含有1个键,属于烯烃。
(4)综上所述,A的结构简式是什么
提示:核磁共振氢谱中有4组吸收峰,峰面积之比为1∶1∶2∶6,即有机化合物A中有4种H原子,数目之比为1∶1∶2∶6,有机化合物A含有2个甲基,则A的结构简式为(CH3)2CHCH＝CH2。
【归纳总结】
1.确定有机化合物结构式的基本思路
2.确定有机化合物结构式的常用方法
根据价键规律确定 某些有机物根据价键规律只存在一种结构,则可直接根据分子式确定其结构式。例如:C2H6,只能是CH3CH3
通过定性实验确定官能团的种类 实验→有机物表现的性质及相关结论→官能团→确定结构式。
通过定性实验确定官能团的位置 由醇氧化为醛、酮确定羟基的位置
由消去反应的产物,可确定—OH或—X的位置
由取代反应产物的种数,可确定碳链结构
由加氢后碳链的结构,可确定原物质分子中或—C≡C—的位置
3.常用读谱方法
质谱 相对分子质量=最大质荷比
红外光谱 化学键和官能团信息
核磁共振氢谱 吸收峰数目=氢原子种类数,不同吸收峰的面积之比(强度之比)=不同氢原子的个数之比
【针对训练】
1.(双选)确定有机化合物的不饱和度是判断有机物结构的重要内容之一,下列4种物质中,不饱和度为4的是 ( )
A.
B.CH2CH—C≡C—COOH
C.CH2CH—CH2—Cl
D.
【解析】选B、D。A的不饱和度为5,B为4,C为1,D为4。
2.某研究性学习小组为确定某蜡状有机物A的结构和性质,他们拟用传统实验的手段与现代技术相结合的方法进行探究。请你参与过程探究。
Ⅰ.实验式的确定
(1)取样品A进行燃烧法测定,发现燃烧后只生成CO2和H2O,某次燃烧后,经换算得到了0.125 mol CO2和0.15 mol H2O。据此得出的结论是________________。
(2)另一实验中,取3.4 g蜡状有机物A在3.36 L(标准状况下,下同)氧气中完全燃烧,两者均恰好完全反应,生成2.8 L CO2和液态水。由此得出A的实验式是____________。
Ⅱ.结构式的确定(经测定A的相对分子质量为136)
(3)取少量样品熔化,加入钠有氢气放出,说明A分子中可能含有________________。
(4)进行核磁共振,发现只有两组特征峰,且峰面积比为2∶1,再做红外光谱,发现与乙醇有相同的透过率,且在同一处波数处有吸收峰。如图所示:
则A的结构简式为________________。
【解析】(1)取样品A进行燃烧法测定,发现燃烧后只生成CO2和H2O,某次燃烧后,经换算得到了0.125 mol CO2和0.15 mol H2O,说明该有机物中含有C、H元素,可能含有O元素,分子中C、H原子的数目比为N(C)∶N(H)=0.125 ∶(2×0.15)=5∶12。(2)生成CO2的物质的量为=0.125 mol,则生成水的物质的量为
0.15 mol,3.4 g有机物中氧元素的质量为3.4 g-0.125 mol×12 g·mol-1-0.15 mol×2×
1 g·mol-1=1.6 g,则氧原子的物质的量为0.1 mol,分子中N(C)∶N(H)∶N(O)=5∶12∶4,故最简式为C5H12O4。(3)取少量样品熔化,加入钠有氢气放出,说明A分子中可能含有羟基。(4)进行核磁共振,发现只有两组特征峰,且面积比为2∶1,说明结构中含有两种氢原子,数目分别为4和8,再做红外光谱,发现与乙醇有相同的透过率,且在同一波数处有吸收峰,说明结构中含有醇羟基,从红外光谱图可以看出分子中含有O—H、C—O、C—H键,该有机物的结构简式为C(CH2OH)4。
答案:(1)分子中N(C)∶N(H)=5∶12
(2)C5H12O4 (3)羟基 (4)C(CH2OH)4
[拓展思考]
(1)由第(1)步能不能确定有机物中是否含有氧元素
提示:不能。生成二氧化碳和水只能说明有机物中含有碳氢两种元素。
(2)如果仅仅根据(3)是否能确定该有机物中含有羟基
提示:不能。因为羧基也能和钠反应放出氢气。
【真题示例】
(双选)下列说法正确的是 ( )
A.(2023·辽宁选择考·8):核磁共振氢谱有3组峰
B.(2023·北京等级考·11):K的核磁共振氢谱有两组峰
C.(2023·山东等级考·12):依据红外光谱可确定X、Y存在不同的官能团
D.(2023·浙江6月选考·8)通过X射线衍射可测定青蒿素晶体的结构
[解题思维]解答本题的思维流程如下:
提取 关键点 ①核磁共振氢谱 ②红外光谱
转化 知识点 ①核磁共振氢谱用于确定氢元素的种类及个数之比 ②红外光谱用来确定共价键及官能团
排除 障碍点 X射线衍射法可以测定晶体的结构
【解析】选C、D。根据结构简式可知,冠醚中有4种不同化学环境的氢原子,如图所示:,核磁共振氢谱有4组峰,A错误; K分子结构对称,分子中有3种不同化学环境的氢原子,核磁共振氢谱有三组峰,B错误; 由题干图示有机物X、Y的结构可知,X含有碳碳双键和醚键,Y含有碳碳双键和酮羰基,红外光谱图中可以反映不同官能团或化学键的吸收峰,故依据红外光谱可确定X、Y存在不同的官能团,C正确;X射线衍射实验可测定晶体的结构,则通过X射线衍射可测定青蒿素晶体的结构,故D正确。
【对点演练】
1.用波谱方法测定某有机物R的结构,质谱图表明其相对分子质量为60;红外光谱图上发现有C—H键、O—H键、C—O键的振动吸收;核磁共振氢谱图如图所示(峰面积之比为2∶1∶2∶3)。
下列关于R的叙述不正确的是 ( )
A.分子式为C3H8O
B.R与HBr在加热条件下生成CH3CH2CH2Br
C.R发生消去反应生成CH2CHCH3
D.R与O2在铜作催化剂,加热条件下反应生成CH3COCH3
【解析】选D。核磁共振氢谱图中有4种不同的氢,且个数比为3∶2∶1∶2,质谱图表明其相对分子质量为60,红外光谱图上发现有C—H键、O—H键、C—O键的振动吸收,可知为醇类,分子式为C3H8O,结构简式为CH3CH2CH2OH,据此分析解题。A.根据分析可知,分子式为C3H8O,故A正确;B.CH3CH2CH2OH与HBr在加热条件下生成CH3CH2CH2Br,故B正确;C.CH3CH2CH2OH在浓硫酸、加热条件下发生消去反应生成CH2CHCH3,故C正确;D.CH3CH2CH2OH与O2在铜作催化剂,加热条件下反应生成CH3CH2CHO,故D错误。
2.胡椒酚A是植物挥发油中的一种成分。某研究性学习小组在对其分子组成结构的研究中发现:A的相对分子质量不超过150;A中C、O的质量分数分别为w(C)=80.60%,w(O)=11.94%,完全燃烧后产物只有CO2和H2O。根据以上信息,填写下列内容:
(1)A的摩尔质量为________。
(2)光谱分析发现A中不含甲基(—CH3),苯环上的一氯取代物只有2种;1 mol A与足量溴水反应,最多消耗3 mol Br2,则A的结构简式为__________________。
(3)A的一种同分异构体中,苯环上含有两个取代基,取代基位置与A相同,且能发生银镜反应。
①符合条件的A的同分异构体的结构简式为________________________。
②上述A的一种同分异构体发生银镜反应的化学方程式为______________
____________________________________________。
【解析】由题意知胡椒酚中至少含有一个羟基,A的摩尔质量M= g·mol-1,由于M≤150 g·mol-1,可知n只能取1,解得M=134 g·mol-1,A中含有的碳原子数为≈9,氢原子数为≈10,因此A的化学式为C9H10O。A分子的不饱和度为5,含有一个苯环(不饱和度为4),说明A中还含有一个碳碳双键,且A中不含甲基,因此双键在末端,A中苯环上的一氯取代物只有2种,说明酚羟基和烃基在对位上,从而可确定胡椒酚A的结构简式为。A的同分异构体中,苯环上的两个取代基位于对位,且含有—CHO,可能的组合为—CHO与—CH2—CH3或—CH2—CHO与—CH3,其发生银镜反应时为—CHO生成—COONH4的过程。
答案:(1)134 g·mol-1
(2)
(3)①、
②+2[Ag(NH3)2]OH+2Ag↓+3NH3+H2O(或+2[Ag(NH3)2]OH+2Ag↓+3NH3+H2O)
【补偿训练】某化合物由碳、氢、氧三种元素组成,其红外光谱图有C—H键、H—O键、C—O键的振动吸收,该有机物的相对分子质量是60,则该有机物的结构简式可能是 ( )
A.CH3CH2CH2OH
B.
C.CH3CH2OCH3
D.CH3CH2CHO
【解析】选A。红外光谱图有O—H键,说明含—OH,再根据其相对分子质量是60,可判断其分子式为C3H7OH,结构简式可能为CH3CH2CH2OH和CH3CH(OH)CH3。
1.鲨鱼是世界上唯一不患癌症的动物,科学研究表明,鲨鱼体内含有一种角鲨烯,具有抗癌性。已知角鲨烯分子中含有30个碳原子,其中有6个碳碳双键且不含环状结构,则其分子式为 ( )
A.C30H60 B.C30H56
C.C30H52 D.C30H50
【解析】选D。由题意知角鲨烯分子的不饱和度为6,分子中的氢原子数应该比C30H62少12个。
2.下列有机物分子在核磁共振氢谱中只给出一种信号的是 ( )
A.HCHO B.CH3OH
C.HCOOH D.CH3COOCH3
【解析】选A。甲醛的结构为,其分子中只有一种不同化学环境的氢原子,而CH3OH、HCOOH、CH3COOCH3分子中均有两种氢原子。
3.若1 mol某气态烃CxHy完全燃烧,需消耗3 mol O2,则 ( )
A.x=2,y=2 B.x=2,y=4
C.x=3,y=6 D.x=3,y=8
【解析】选B。由烃CxHy燃烧通式CxHy+(x+)O2xCO2+H2O知,1 mol烃燃烧需消耗(x+) mol O2,将各选项代入即可求得。
4.为测定某有机物A的结构,设计了如下实验:①将2.3 g该有机物完全燃烧,生成了0.1 mol CO2和2.7 g H2O;②用质谱仪实验得质谱图;③用核磁共振仪处理该化合物得核磁共振氢谱图,图中三个峰的面积比为1∶2∶3。试回答下列问题:
(1)有机物A的相对分子质量为________。
(2)有机物A的实验式为________。
(3)根据A的实验式________(填“能”或“不能”)确定A的分子式。
(4)A的分子式为__________,结构简式为____________。
【解析】一般质谱图中最大质荷比即为有机物的相对分子质量,所以根据质谱图可知A的相对分子质量为46。2.3 g A完全燃烧生成0.1 mol CO2和2.7 g H2O,则可计算出A的分子式为(C2H6O)n,即A的实验式为C2H6O。由于H原子已经饱和,所以该实验式就是其分子式。根据核磁共振氢谱图可知,A中有三种化学环境不同的H原子且数目之比为1∶2∶3,又因为A的通式符合饱和一元醇的通式,所以A的结构简式为CH3CH2OH。
答案:(1)46 (2)C2H6O (3)能 (4)C2H6O CH3CH2OH第2节 有机化合物结构的测定
第1课时 有机化合物分子式和结构式的确定
课标定向
1.了解研究有机化合物的基本步骤,能进行确定有机化合物分子式的简单计算,建立研究有机物分子式和结构式的模型。(证据推理与模型认知)
2.知道现代仪器分析方法在有机化合物分子结构测定中的应用,能利用化学检验方法确定官能团的存在。(科学探究与创新意识)
一、测定有机化合物结构的流程
1.核心步骤:测定有机化合物结构的核心步骤是 以及检测分子中所含的 及其在碳骨架上的位置。
2.流程示意图
3.分离、提纯有机化合物的常见方法
(1)蒸馏:液态有机化合物热稳定性较 ,含有的杂质 且与杂质的沸点有显著差别(一般大于30℃)时,可用蒸馏的方法提纯。
(2)重结晶:
①原理:利用有机化合物在某种溶剂中的溶解度受温度影响 ,加热使其溶解于溶剂中,再降温使其溶解度下降,从而析出有机化合物的结晶。
②关键:适当的 、样品中杂质含量 。
(3)萃取:
①一般是用 从水中萃取有机化合物。
②常用的与水互不相溶的有机溶剂:乙醚、石油醚、二氯甲烷等。
二、有机化合物分子式的确定
1.有机化合物元素组成的测定方法及步骤
2.有机物相对分子质量的测定
(1)通过实验,根据有关数据求算相对分子质量。
(2)有机物的相对分子质量一般用 进行测定。
[点拨]
根据有机物燃烧产物有二氧化碳和水并不能确定有机物中是否有氧元素,要确定氧元素,还要验证有机物的质量是否和二氧化碳和水中的碳氢元素相等,如果相等则没有氧元素,如果有机物质量大于二氧化碳和水中的碳氢元素质量,则证明有氧元素。
三、有机化合物结构式的确定
1.确定有机化合物结构式的流程
2.有机化合物分子不饱和度的计算
(1)计算公式
①公式:分子的不饱和度= ,其中:x为碳原子数,y为氢原子数。
②说明:在计算不饱和度时,若有机化合物分子中含有卤素原子,可将其视为 原子;若含有氧原子,则 ;若含有氮原子,就在氢原子总数中 氮原子数。
(2)几种基团的不饱和度
基团 不饱和度 基团 不饱和度
一个碳碳 双键 一个碳碳 三键
一个羧基 一个苯环
一个脂环 一个氰基
3.确定有机化合物的官能团
(1)
官能团 种类 试 剂 判断依据
碳碳双键 或 碳碳三键 溴的四氯化碳溶液
酸性KMnO4溶液
卤素原子 有沉淀产生,根据沉淀的颜色判断卤素的种类
醇羟基 钠
酚羟基 FeCl3溶液
溴水
醛基 (水浴)
(加热)
羧基
(2)物理方法:通过紫外和可见光谱(UV)、红外光谱(IR)、质谱(MS)及核磁共振谱(NMR)等,能快速准确地确定有机化合物分子的结构。
[思考]
茉莉醛具有浓郁的茉莉香气,可用于配制果香型食用香精。
茉莉醛的结构如图所示:
。
如何检验分子中的碳碳双键
【质疑辨析】
(1)可燃有机物中碳、氢元素的质量分数可通过燃烧分析法求得。 ( )
(2)在有机物样品中加入酸性KMnO4溶液,紫色褪去,说明有机物中一定含有碳碳双键或三键。 ( )
(3)只要通过定性定量分析得到有机物的元素组成,即可确定有机物的分子式。 ( )
(4)有机化合物分子式一定不与其最简式相同。 ( )
(5)燃烧0.1 mol某有机化合物得到0.2 mol CO2和0.3 mol H2O,不能由此确定有机化合物的分子式。 ( )
探究任务一:有机化合物分子式的确定
【导学探究】
已知2.3 g某有机物完全燃烧后生成4.4 g二氧化碳和2.7 g水。
探究点:氢元素、碳元素与有机物分子式的确定
(1)由上述信息判断,原有机物中碳元素的物质的量和质量为多少
(2)由上述信息判断,原有机物中氢元素的物质的量和质量为多少
(3)通过上述计算能否确定有机物中是否有氧元素 如果有,氧元素的物质的量是多少 (如果没有,此问不用回答)
(4)由以上可知有机物的最简式是什么 要想知道分子式,是否需要知道相对分子质量
【归纳总结】
1.确定有机化合物分子式的一般途径
2.确定有机物相对分子质量的方法
(1)公式法
①M=(M表示摩尔质量,m表示质量,n表示物质的量)。
②已知有机物蒸气在标准状况下的密度:M=22.4ρ(注意密度的单位)。
③已知有机物蒸气与某气体物质(相对分子质量为M')在相同状况下的相对密度为D,则M=M'D。
(2)其他方法
①根据化学方程式计算确定。
②利用质谱法测定。
3.确定有机化合物分子式的方法
(1)实验式法
由各元素的质量分数→求各元素的原子个数之比(实验式)→相对分子质量→求分子式。
(2)物质的量关系法
由密度或其他条件→求摩尔质量→求1 mol分子中所含各元素原子的物质的量→求分子式。
(3)化学方程式法
利用化学方程式求分子式。
(4)燃烧通式法
利用燃烧通式和相对分子质量求分子式。
CxHy+(x+)O2xCO2+H2O
CxHyOz+(x+-)O2xCO2+H2O
由于x、y、z相对独立,借助通式进行计算,解出x、y、z,最后求出分子式。
(5)利用各类有机物的分子式通式和相对分子质量确定
类别 通式 相对分子质量
烷烃 CnH2n+2 Mr=14n+2(n≥1)
环烷烃,烯烃 CnH2n Mr=14n(烯烃n≥2,环烷烃n≥3)
二烯烃,炔烃 CnH2n-2 Mr=14n-2(炔烃n≥2,二烯烃n≥4)
苯及苯的同系物 CnH2n-6 Mr=14n-6(n≥6)
饱和醇 CnH2n+2Ox Mr=14n+2+16x
饱和一元醛 CnH2nO Mr=14n+16
饱和一元羧酸 CnH2nO2 Mr=14n+32
饱和一元酯 CnH2nO2 Mr=14n+32
【针对训练】
1.(双选)在氧气中充分燃烧0.2 mol某有机物,得到0.4 mol CO2和10.8 g H2O,由此可得出的结论是 ( )
A.1个该有机物分子中只含有2个碳原子和6个氢原子
B.该有机物中碳原子和氢原子的个数比为1∶3
C.1个该有机物分子中含有2个CO2和3个H2O
D.1个该有机物分子中含有2个碳原子和6个氢原子,可能含有氧原子
2.有机化合物A的相对分子质量大于110,小于150。经分析得知,其中碳和氢的质量分数之和为52.24%,其余为氧。请回答:
(1)该化合物分子中含有氧原子数为____。
(2)该化合物的摩尔质量是________。
(3)该化合物分子式为________。
[拓展思考]
(1)该化合物的不饱和度为多少
(2)若A可发生银镜反应,结构中无支链,且有一个甲基,试写出符合上述条件的有机物A的一种同分异构体的结构简式。
探究任务二:有机化合物结构的测定
【导学探究】
某实验兴趣小组欲探究某有机物的结构,设计了如下实验:
实验 步骤 实验操作
1 测得A的蒸气密度是相同状况下甲烷的4.375倍
2 将5.6 g A在足量纯O2中充分燃烧,并使其产物依次缓缓通过浓硫酸、碱石灰,发现两者分别增重7.2 g和17.6 g
3 将A通入溴水中,溴水褪色
4 A的核磁共振氢谱如图: 由图像可知,核磁共振氢谱共有4组吸收峰,且峰面积之比为1∶1∶2∶6
探究点:有机物结构式的确定
(1)由上述步骤1可知A的相对分子质量是多少
(2)由上述步骤2可知A的实验式是什么 A的分子式是什么
(3)步骤3说明A属于哪类物质
(4)综上所述,A的结构简式是什么
【归纳总结】
1.确定有机化合物结构式的基本思路
2.确定有机化合物结构式的常用方法
根据价键规律确定 某些有机物根据价键规律只存在一种结构,则可直接根据分子式确定其结构式。例如:C2H6,只能是CH3CH3
通过定性实验确定官能团的种类 实验→有机物表现的性质及相关结论→官能团→确定结构式。
通过定性实验确定官能团的位置 由醇氧化为醛、酮确定羟基的位置
由消去反应的产物,可确定—OH或—X的位置
由取代反应产物的种数,可确定碳链结构
由加氢后碳链的结构,可确定原物质分子中或—C≡C—的位置
3.常用读谱方法
质谱 相对分子质量=最大质荷比
红外光谱 化学键和官能团信息
核磁共振氢谱 吸收峰数目=氢原子种类数,不同吸收峰的面积之比(强度之比)=不同氢原子的个数之比
【针对训练】
1.(双选)确定有机化合物的不饱和度是判断有机物结构的重要内容之一,下列4种物质中,不饱和度为4的是 ( )
A.
B.CH2CH—C≡C—COOH
C.CH2CH—CH2—Cl
D.
2.某研究性学习小组为确定某蜡状有机物A的结构和性质,他们拟用传统实验的手段与现代技术相结合的方法进行探究。请你参与过程探究。
Ⅰ.实验式的确定
(1)取样品A进行燃烧法测定,发现燃烧后只生成CO2和H2O,某次燃烧后,经换算得到了0.125 mol CO2和0.15 mol H2O。据此得出的结论是________________。
(2)另一实验中,取3.4 g蜡状有机物A在3.36 L(标准状况下,下同)氧气中完全燃烧,两者均恰好完全反应,生成2.8 L CO2和液态水。由此得出A的实验式是____________。
Ⅱ.结构式的确定(经测定A的相对分子质量为136)
(3)取少量样品熔化,加入钠有氢气放出,说明A分子中可能含有________________。
(4)进行核磁共振,发现只有两组特征峰,且峰面积比为2∶1,再做红外光谱,发现与乙醇有相同的透过率,且在同一处波数处有吸收峰。如图所示:
则A的结构简式为________________。
[拓展思考]
(1)由第(1)步能不能确定有机物中是否含有氧元素
(2)如果仅仅根据(3)是否能确定该有机物中含有羟基
【真题示例】
(双选)下列说法正确的是 ( )
A.(2023·辽宁选择考·8):核磁共振氢谱有3组峰
B.(2023·北京等级考·11):K的核磁共振氢谱有两组峰
C.(2023·山东等级考·12):依据红外光谱可确定X、Y存在不同的官能团
D.(2023·浙江6月选考·8)通过X射线衍射可测定青蒿素晶体的结构
[解题思维]解答本题的思维流程如下:
提取 关键点 ①核磁共振氢谱 ②红外光谱
转化 知识点 ①核磁共振氢谱用于确定氢元素的种类及个数之比 ②红外光谱用来确定共价键及官能团
排除 障碍点 X射线衍射法可以测定晶体的结构
【对点演练】
1.用波谱方法测定某有机物R的结构,质谱图表明其相对分子质量为60;红外光谱图上发现有C—H键、O—H键、C—O键的振动吸收;核磁共振氢谱图如图所示(峰面积之比为2∶1∶2∶3)。
下列关于R的叙述不正确的是 ( )
A.分子式为C3H8O
B.R与HBr在加热条件下生成CH3CH2CH2Br
C.R发生消去反应生成CH2CHCH3
D.R与O2在铜作催化剂,加热条件下反应生成CH3COCH3
2.胡椒酚A是植物挥发油中的一种成分。某研究性学习小组在对其分子组成结构的研究中发现:A的相对分子质量不超过150;A中C、O的质量分数分别为w( )=80.60%,w(O)=11.94%,完全燃烧后产物只有CO2和H2O。根据以上信息,填写下列内容:
(1)A的摩尔质量为________。
(2)光谱分析发现A中不含甲基(—CH3),苯环上的一氯取代物只有2种;1 mol A与足量溴水反应,最多消耗3 mol Br2,则A的结构简式为__________________。
(3)A的一种同分异构体中,苯环上含有两个取代基,取代基位置与A相同,且能发生银镜反应。
①符合条件的A的同分异构体的结构简式为________________________。
②上述A的一种同分异构体发生银镜反应的化学方程式为______________
____________________________________________。
【补偿训练】某化合物由碳、氢、氧三种元素组成,其红外光谱图有C—H键、H—O键、C—O键的振动吸收,该有机物的相对分子质量是60,则该有机物的结构简式可能是 ( )
A.CH3CH2CH2OH
B.
C.CH3CH2OCH3
D.CH3CH2CHO
1.鲨鱼是世界上唯一不患癌症的动物,科学研究表明,鲨鱼体内含有一种角鲨烯,具有抗癌性。已知角鲨烯分子中含有30个碳原子,其中有6个碳碳双键且不含环状结构,则其分子式为 ( )
A.C30H60 B.C30H56
C.C30H52 D.C30H50
2.下列有机物分子在核磁共振氢谱中只给出一种信号的是 ( )
A.HCHO B.CH3OH
C.HCOOH D.CH3COOCH3
3.若1 mol某气态烃CxHy完全燃烧,需消耗3 mol O2,则 ( )
A.x=2,y=2 B.x=2,y=4
C.x=3,y=6 D.x=3,y=8
4.为测定某有机物A的结构,设计了如下实验:①将2.3 g该有机物完全燃烧,生成了0.1 mol CO2和2.7 g H2O;②用质谱仪实验得质谱图;③用核磁共振仪处理该化合物得核磁共振氢谱图,图中三个峰的面积比为1∶2∶3。试回答下列问题:
(1)有机物A的相对分子质量为________。
(2)有机物A的实验式为________。
(3)根据A的实验式________(填“能”或“不能”)确定A的分子式。
(4)A的分子式为__________,结构简式为____________。
