高中化学 第2节 有机化合物结构的测定课件 鲁科版选修5

第第3 3章有机合成及其应用章有机合成及其应用合成高分子化合物合成高分子化合物第第2 2节有机化合物结构的测定节有机化合物结构的测定 栏目链接栏目链接1了解有机化合物结构的测定的一般步骤和程序，能了解有机化合物结构的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。能利用官能团的化进行确定有机化合物分子式的简单计算。能利用官能团的化学检验方法鉴定单官能团化合物分子中是否存在碳碳双键、学检验方法鉴定单官能团化合物分子中是否存在碳碳双键、碳碳叁键、卤素原子、醇羟基、酚羟基、醛基或羧基等。能碳碳叁键、卤素原子、醇羟基、酚羟基、醛基或羧基等。能根据有机化合物官能团的定性鉴定结果及相关谱图提供的分根据有机化合物官能团的定性鉴定结果及相关谱图提供的分析结果，判断和确定某种有机化合物样品的组成与结构。析结果，判断和确定某种有机化合物样品的组成与结构。2初步了解一些测定有机化合物结构的现代手段。初步了解一些测定有机化合物结构的现代手段。3懂得有机化合物结构的测定是有机化合物合成的重懂得有机化合物结构的测定是有机化合物合成的重要环节。要环节。 栏目链接栏目链接 栏目链接栏目链接一、有机化合物分子式的确定一、有机化合物分子式的确定(一一)确定有机化合物的元素组成确定有机化合物的元素组成1燃烧法测定烃分子中碳、氢两元素的质量分数。燃烧法测定烃分子中碳、氢两元素的质量分数。(1)测定步骤。测定步骤。取取_样品；样品；将样品在将样品在_中燃烧；中燃烧；将燃烧后的产物依次通过将燃烧后的产物依次通过_和和_吸收；吸收；一定质量一定质量氧气流氧气流吸水剂吸水剂碱溶液碱溶液 栏目链接栏目链接根据根据_和和_的的_变化计算样品变化计算样品中碳氢元素的质量分数。中碳氢元素的质量分数。 (2)测定数据。测定数据。m ( H ) _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ ， m ( C ) _。2氮元素质量分数的测定。氮元素质量分数的测定。(1)测定原理。测定原理。利用氧化还原反应将氮元素氧化为氮气，测氮气的利用氧化还原反应将氮元素氧化为氮气，测氮气的_。吸水剂吸水剂碱溶液碱溶液质量质量体积体积 栏目链接栏目链接(2)测定步骤。测定步骤。取一定取一定_的样品通入的样品通入_气流中，在气流中，在CuO的催化作用下燃烧生成的催化作用下燃烧生成_。借助二氧化碳气流，将装置中生成的气体全部借助二氧化碳气流，将装置中生成的气体全部_。用用_吸收吸收CO2气体后，测得气体后，测得_的的体积，即为氮气的体积。体积，即为氮气的体积。(3)测定数据：测定数据：V(N2)m(N2)。质量质量二氧化碳二氧化碳氮气氮气赶出赶出浓浓KOH溶液溶液剩余气体剩余气体 栏目链接栏目链接3卤素质量分数的测定。卤素质量分数的测定。(1)测定原理。测定原理。将卤素原子转变为将卤素原子转变为_，与，与_作用作用生成生成_沉淀，利用卤化银的特性及质量来确定。沉淀，利用卤化银的特性及质量来确定。(2)测定步骤。测定步骤。取一定质量样品与取一定质量样品与_混合加热，将混合加热，将_转变为转变为_，再加入稀，再加入稀HNO3和和AgNO3并并得到得到_沉淀。沉淀。卤素离子卤素离子硝酸银溶液硝酸银溶液卤化银卤化银NaOH卤素原子卤素原子卤素离子卤素离子卤化银卤化银 栏目链接栏目链接根据卤化银沉淀的根据卤化银沉淀的_确定卤素的确定卤素的_。若。若为为_，则有机物中含，则有机物中含_；若为；若为_，则有，则有机物中含机物中含_；若为；若为_，则有机物中含，则有机物中含_。颜色颜色种类种类白色白色氯元素氯元素浅黄色浅黄色 溴元素溴元素黄色黄色碘元素碘元素 栏目链接栏目链接几微几微 22.40 栏目链接栏目链接体积百分含量体积百分含量 栏目链接栏目链接(3)化学方程式法：利用化学方程式求分子式。化学方程式法：利用化学方程式求分子式。(4)燃烧通式法：利用通过和相对分子质量求分子式。燃烧通式法：利用通过和相对分子质量求分子式。 栏目链接栏目链接二、有机化合物结构式的确定二、有机化合物结构式的确定(一一)有机物不饱和度有机物不饱和度1测定有机化合物的结构，关键步骤是测定有机化合物的结构，关键步骤是_及及_，进而确定分子中，进而确定分子中所含有的所含有的_及其及其_。判断分子的不饱和度判断分子的不饱和度 典型的化学性质典型的化学性质官能团官能团所处的位置所处的位置 栏目链接栏目链接2有机化合物分子不饱和度的计算。有机化合物分子不饱和度的计算。不饱和度也称不饱和度也称_，它可以通过有机化合物的分，它可以通过有机化合物的分子式计算得出。这个数值能为测定分子结构提供分子中是子式计算得出。这个数值能为测定分子结构提供分子中是否含有不饱和键或碳环等结构的信息。否含有不饱和键或碳环等结构的信息。有机化合物分子不饱和度的计算公式为：分子的不饱有机化合物分子不饱和度的计算公式为：分子的不饱和度和度_。缺氢指数缺氢指数 栏目链接栏目链接121412化学性质化学性质化学反应化学反应 栏目链接栏目链接2有机化合物官能团的确定。有机化合物官能团的确定。(1)化学方法。化学方法。溴的溴的CCl4溶液溶液KMnO4(H)NaOH溶液、稀硝酸溶液、稀硝酸HNO3、AgNO3溶液溶液NaFe3溴水溴水 栏目链接栏目链接银氨溶液银氨溶液新制新制Cu(OH)2NaHCO3(NH4)2Fe(SO4)2强碱强碱 栏目链接栏目链接(2)物理方法。物理方法。红外光谱：不同的化学键或官能团吸收频率不同，红外光谱：不同的化学键或官能团吸收频率不同，在红外光谱上出现位置不同，由此可判断官能团种类以及在红外光谱上出现位置不同，由此可判断官能团种类以及样品浓度。样品浓度。核磁共振氢谱：用电磁波照射氢原子核，处于不同核磁共振氢谱：用电磁波照射氢原子核，处于不同化学环境中的氢原子因产生共振时吸收的频率不同，在谱化学环境中的氢原子因产生共振时吸收的频率不同，在谱图上出现的位置不同，且吸收面积与氢原子个数成正比，图上出现的位置不同，且吸收面积与氢原子个数成正比，由此来测定氢原子在碳骨架上的位置和数目。由此来测定氢原子在碳骨架上的位置和数目。 栏目链接栏目链接3有机化合物结构式的确定。有机化合物结构式的确定。(1)物质的结构决定其性质，物质的性质又反映其结物质的结构决定其性质，物质的性质又反映其结构特点。确定物质的结构，主要是利用物质所具有的构特点。确定物质的结构，主要是利用物质所具有的_来确定该物质所具有的来确定该物质所具有的_，即主要确定，即主要确定该物质的该物质的_。(2)确定有机化合物结构式的一般步骤。确定有机化合物结构式的一般步骤。根据分子式写出它可能具有的根据分子式写出它可能具有的_。利用该物质的性质推测其可能含有的利用该物质的性质推测其可能含有的_，最后确定所写同分异构体的一种结构。最后确定所写同分异构体的一种结构。化学性质化学性质官能团官能团官能团种类和位置官能团种类和位置结构式结构式官能团官能团 栏目链接栏目链接 栏目链接栏目链接知识点知识点1 有机化合物分子式的确定有机化合物分子式的确定1研究有机化合物的一般步骤。研究有机化合物的一般步骤。(1)分离提纯：研究一种新的有机化合物首先要将它分离提纯：研究一种新的有机化合物首先要将它分离提纯，保证达到应有的纯度。分离提纯的方法包括：分离提纯，保证达到应有的纯度。分离提纯的方法包括：重结晶、升华、蒸馏、层析法以及离子交换法等。重结晶、升华、蒸馏、层析法以及离子交换法等。(2)纯度的检验：纯的有机化合物有固定的物理常数，纯度的检验：纯的有机化合物有固定的物理常数，如固定的熔点、沸点、密度、折射率等。测定有机化合如固定的熔点、沸点、密度、折射率等。测定有机化合物的物理常数可检验其纯度，纯的化合物的熔点距很小。物的物理常数可检验其纯度，纯的化合物的熔点距很小。 栏目链接栏目链接(3)实验式和分子式的确定：实验式和分子式的确定：进行元素定性分析，找出组成中存在哪些元素。进行元素定性分析，找出组成中存在哪些元素。进行元素定量分析，找出各种原子的相对数目，进行元素定量分析，找出各种原子的相对数目，即决定其实验式。即决定其实验式。测定相对分子质量，确定各种原子的确实数目，测定相对分子质量，确定各种原子的确实数目，根据红外光谱、紫外光谱、核磁共振谱等确定结构。根据红外光谱、紫外光谱、核磁共振谱等确定结构。(4)为了确定有机化合物的分子式，需要测定有机化为了确定有机化合物的分子式，需要测定有机化合物的元素组成和相对分子质量。合物的元素组成和相对分子质量。 栏目链接栏目链接还可以借助可燃性等化学性质测定其元素组成、利用质谱还可以借助可燃性等化学性质测定其元素组成、利用质谱仪或理想气体方程确定其相对分子质量。为了确定有机化仪或理想气体方程确定其相对分子质量。为了确定有机化合物的结构式，可以借助有机化合物官能团的化学特性或合物的结构式，可以借助有机化合物官能团的化学特性或红外光谱仪测定其具有的官能团，借助对核磁氢谱图和核红外光谱仪测定其具有的官能团，借助对核磁氢谱图和核磁碳谱图的分析确定其碳骨架结构。磁碳谱图的分析确定其碳骨架结构。 2确定有机化合物的元素组成。确定有机化合物的元素组成。 (1)组成有机化合物的元素种类最常见的是组成有机化合物的元素种类最常见的是C、H、O、N、X等元素。各元素的质量分数通常需要借助有机化合等元素。各元素的质量分数通常需要借助有机化合物的可燃性等化学性质进行定量测定。物的可燃性等化学性质进行定量测定。 栏目链接栏目链接得知得知C、H、N、X等元素的质量分数后，其总和若小于等元素的质量分数后，其总和若小于100%，其差值一般就是氧元素的质量分数。，其差值一般就是氧元素的质量分数。 (2)有机化合物元素组成测定示意图如下：有机化合物元素组成测定示意图如下： 栏目链接栏目链接3有机化合物的相对分子质量的测定。有机化合物的相对分子质量的测定。(1)测定有机化合物的相对分子质量的方法很多，可测定有机化合物的相对分子质量的方法很多，可以依据理想气体状态方程并采用特定的装置进行测定，也以依据理想气体状态方程并采用特定的装置进行测定，也可以使用质谱仪进行测定。可以使用质谱仪进行测定。(2)质谱记录了有机化合物分子失去一个电子而成为质谱记录了有机化合物分子失去一个电子而成为带正电荷的离子的质量大小，其中最大的离子质量就是有带正电荷的离子的质量大小，其中最大的离子质量就是有机化合物的相对分子质量。机化合物的相对分子质量。 栏目链接栏目链接戊烷的质谱图戊烷的质谱图 栏目链接栏目链接4确定有机化合物分子式的基本方法。确定有机化合物分子式的基本方法。(1)根据有机化合物中各元素的质量分数，求出有机化根据有机化合物中各元素的质量分数，求出有机化合物的实验式，再根据有机化合物的相对分子质量确定分子合物的实验式，再根据有机化合物的相对分子质量确定分子式。式。(2)根据有机化合物的摩尔质量和各元素的质量分数，根据有机化合物的摩尔质量和各元素的质量分数，求出求出1 mol该有机化合物中各元素原子的物质的量，从而确该有机化合物中各元素原子的物质的量，从而确定出该有机化合物的分子式。定出该有机化合物的分子式。(3)根据有机化合物的燃烧通式及消耗根据有机化合物的燃烧通式及消耗O2的量的量(或生成产或生成产物的量物的量)，通过计算确定出有机化合物的分子式。，通过计算确定出有机化合物的分子式。 栏目链接栏目链接(4)根据有机化合物的分子通式和化学反应的有关数根据有机化合物的分子通式和化学反应的有关数据求分子通式中的据求分子通式中的n，得出有机化合物的分子式。得出有机化合物的分子式。（5）确定有机化合物分子式的基本方法可归纳为）确定有机化合物分子式的基本方法可归纳为下表：下表： 栏目链接栏目链接例例1电炉加热时用纯氧气氧化管内样品，根据产物电炉加热时用纯氧气氧化管内样品，根据产物的质量确定有机物的组成，下列装置是用燃烧法确定有的质量确定有机物的组成，下列装置是用燃烧法确定有机物分子式常用的装置。机物分子式常用的装置。 栏目链接栏目链接(1)产生的氧气按从左到右流向，所选装置各导管的产生的氧气按从左到右流向，所选装置各导管的连接顺序是连接顺序是_。(2)C装置中浓装置中浓H2SO4的作用是的作用是_。(3)D装置中装置中MnO2的作用是的作用是_。(4)燃烧管中燃烧管中CuO的作用是的作用是_。 栏目链接栏目链接(5)若准备称取若准备称取0.90 g样品样品(只含只含C、H、O三种元素中的三种元素中的两种或三种两种或三种)，经充分燃烧后，经充分燃烧后，A管质量增加管质量增加1.32 g，B管质管质量增加量增加0.54 g，则该有机物的实验式为，则该有机物的实验式为_。(6)要确定该有机物的分子式，还要知道要确定该有机物的分子式，还要知道_。解析解析：本题利用本题利用H2O2在在MnO2催化下分解产生氧气，催化下分解产生氧气，用浓硫酸除去其中的水蒸气后氧化有机物生成用浓硫酸除去其中的水蒸气后氧化有机物生成CO2和和H2O，利用装置利用装置B测定测定H2O的质量，的质量， 栏目链接栏目链接利用装置利用装置A测定测定CO2的质量，从而可求出有机物含有的的质量，从而可求出有机物含有的C、H(或或O)的质量，进而求出有机物的实验式。电炉中的质量，进而求出有机物的实验式。电炉中CuO的作用是为了尽可能保证有机物全部氧化生成的作用是为了尽可能保证有机物全部氧化生成CO2和和H2O。 栏目链接栏目链接因因n(C)n(H)n(O)0.03 mol0.03 mol20.03 mol121，故该有机物的实验式为，故该有机物的实验式为CH2O。(6)要确定有机物的分子式，还需测出有机物的相对要确定有机物的分子式，还需测出有机物的相对分子质量。分子质量。答案答案：(1)gf，eh，ic(或或d)，d(或或c)a(或或b)，b(或或a)(2)吸收水分，干燥氧气吸收水分，干燥氧气(3)催化剂，加快催化剂，加快O2的生成速率的生成速率(4)使有机物充分氧化生成使有机物充分氧化生成CO2和和H2O(5)CH2O(6)有机物的相对分子质量有机物的相对分子质量 栏目链接栏目链接点评点评：本题通过实验考查了确定有机物分子式确定本题通过实验考查了确定有机物分子式确定的常用方法的常用方法燃烧分析法，通过有机物燃烧，测定产燃烧分析法，通过有机物燃烧，测定产物物CO2、H2O的量，从而确定碳、氢、氧的量，同时本题的量，从而确定碳、氢、氧的量，同时本题还考查基本实验技能，该方法的关键之一是要确定是否还考查基本实验技能，该方法的关键之一是要确定是否含有氧元素。含有氧元素。 栏目链接栏目链接变 式变 式训训 练练1某有机物含碳某有机物含碳40%，氢，氢6.67%，氧，氧53.33%，如果，如果0.2 mol该有机物的质量为该有机物的质量为6.0 g，则它的分子式为，则它的分子式为()AC3H8O BC2H4OCCH2O DC3H6O答案：答案：C 栏目链接栏目链接知识点知识点2有机化合物结构式的确定有机化合物结构式的确定1测定有机化合物结构的流程。测定有机化合物结构的流程。有机物结构测定的方法很多，归根结底都是依据它有机物结构测定的方法很多，归根结底都是依据它们自身所具有的物理性质和化学性质来进行的。测定有机们自身所具有的物理性质和化学性质来进行的。测定有机物结构的核心步骤是确定其分子式，以及检测分子中所含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。的官能团及其在碳骨架上的位置。测定有机化合物结构流程示意图测定有机化合物结构流程示意图 栏目链接栏目链接2确定有机化合物的结构式。确定有机化合物的结构式。测定有机化合物的结构，关键是根据有机化合物的分测定有机化合物的结构，关键是根据有机化合物的分子式来计算其不饱和度，并根据其特殊的化学性质，来确子式来计算其不饱和度，并根据其特殊的化学性质，来确定分子中所含的官能团种类及官能团所处的具体位置。定分子中所含的官能团种类及官能团所处的具体位置。确定有机化合物结构流程示意图确定有机化合物结构流程示意图 栏目链接栏目链接(1)不饱和度计算：不饱和度也称缺氢指数，它可以不饱和度计算：不饱和度也称缺氢指数，它可以通过有机化合物的分子式计算得出。通过有机化合物的分子式计算得出。不饱和度不饱和度n（C）-n(H)/2。 栏目链接栏目链接 (2) 确定有机化合物的官能团。确定有机化合物的官能团。有机化合物的官能团都有其特有的化学性质，通有机化合物的官能团都有其特有的化学性质，通过特有反应对其进行鉴别和确定其可能官能团。也可以过特有反应对其进行鉴别和确定其可能官能团。也可以通过红外光谱图分析分子中含有何种化学键或官能团。通过红外光谱图分析分子中含有何种化学键或官能团。案例分析：案例分析： 栏目链接栏目链接医用胶单体红外光谱图医用胶单体红外光谱图 栏目链接栏目链接(3)推测分子中碳骨架结构和官能团在碳链上的位置。推测分子中碳骨架结构和官能团在碳链上的位置。利用核磁共振氢谱图和碳谱图，确定有机化合物分利用核磁共振氢谱图和碳谱图，确定有机化合物分子中氢原子的个数以及在碳骨架上的位置，进而推断出有子中氢原子的个数以及在碳骨架上的位置，进而推断出有机化合物的碳骨架结构。机化合物的碳骨架结构。(4)确定有机化合物的结构式。确定有机化合物的结构式。例例2 分子中每减少分子中每减少2个碳氢键，必然会同时增加个碳氢键，必然会同时增加1个个碳碳键。它可能是重键碳碳键。它可能是重键(双键或叁键双键或叁键)，也可能是连结成环，也可能是连结成环状烃，状烃， 栏目链接栏目链接都称为增加了都称为增加了1个不饱和度个不饱和度(用希腊字母用希腊字母表示表示)。例如若。例如若干烃类分子和烃基的不饱和度如下：干烃类分子和烃基的不饱和度如下： 栏目链接栏目链接 栏目链接栏目链接点评点评：不饱和度的求算是新增加的内容，在今后的高不饱和度的求算是新增加的内容，在今后的高考命题中相信应该会有所体现，掌握了不饱和度的概念和考命题中相信应该会有所体现，掌握了不饱和度的概念和求法，利用它解题，特别是解某些高考题将会变得十分方求法，利用它解题，特别是解某些高考题将会变得十分方便。便。 栏目链接栏目链接烃基是烃去烃基是烃去H后剩余部分，与对应烃具有相同的后剩余部分，与对应烃具有相同的不饱和度，如不饱和度，如C6H6与与C6H5、C6H4、 ，C2H2与与 C CH、 C C 等，前者不饱和度都等，前者不饱和度都是是4，后者的不饱和度都是，后者的不饱和度都是2。推断有机物中的不饱和度。推断有机物中的不饱和度还可利用常见官能团的不饱和度进行计算。还可利用常见官能团的不饱和度进行计算。 栏目链接栏目链接变 式变 式训训 练练2合成相对分子质量在合成相对分子质量在2 00050 000范围内具有确定范围内具有确定结构的有机化合物是一个新的研究领域。结构的有机化合物是一个新的研究领域。1993年报道合成了年报道合成了两种烃两种烃A和和B，其分子式分别为，其分子式分别为C1 134H1 146和和C1 398H1 278，B的的结构跟结构跟A相似，但分子中多了一些结构为相似，但分子中多了一些结构为 的结构单的结构单元。元。(1)B分子比分子比A分子多了分子多了_个这样的结构单元个这样的结构单元(填数字填数字)；(2)A的不饱和度是的不饱和度是_，B的不饱和度是的不饱和度是_。 栏目链接栏目链接变 式变 式训训 练练 栏目链接栏目链接例例3核磁共振谱是测定有机物分子结构最有用的核磁共振谱是测定有机物分子结构最有用的工具之一。瑞士科学家维特里希等三人即是利用核磁共工具之一。瑞士科学家维特里希等三人即是利用核磁共振技术测定生物大分子的三维结构而获得振技术测定生物大分子的三维结构而获得2002年诺贝尔年诺贝尔化学奖。在有机物分子中，不同位置的氢原子在质子核化学奖。在有机物分子中，不同位置的氢原子在质子核磁共振谱磁共振谱(PMR)中给出的峰值中给出的峰值(信号信号)也不同，根据峰值也不同，根据峰值(信号信号)可以确定有机物分子中氢原子的种类和数目。例可以确定有机物分子中氢原子的种类和数目。例如：乙醛的结构式为：如：乙醛的结构式为： ，其，其PMR谱中有谱中有2个个信号峰，其强度之比为信号峰，其强度之比为31。 栏目链接栏目链接(1)下列有机物分子中，在质子核磁共振谱中只给下列有机物分子中，在质子核磁共振谱中只给出一种峰出一种峰(信号信号)的是的是_。ACH3CH3 BCH3COOHCCH3COOCH3 DCH3COCH3(2)化合物化合物A和和B的分子式都是的分子式都是C2H4Br2，A的的PMR谱上只有谱上只有1个峰，则个峰，则A的结构简式为的结构简式为_，B的的PMR谱上有谱上有_个峰，强度比为个峰，强度比为_。 栏目链接栏目链接解析：解析：根据题给信息，不同位置上氢原子在核磁共根据题给信息，不同位置上氢原子在核磁共振谱中峰值不同，则质子核磁共振谱中只给出一种峰的振谱中峰值不同，则质子核磁共振谱中只给出一种峰的是是CH3CH3和和 ，因两分子中只有一种氢原子，因两分子中只有一种氢原子，C2H4Br2可能的结构有两种，即可能的结构有两种，即CH2BrCH2Br和和CH3CHBr2，第一种分子中只有一种氢原子，即，第一种分子中只有一种氢原子，即PMR谱上只谱上只有有1个峰，第二种分子中有两种氢原子，个数比为个峰，第二种分子中有两种氢原子，个数比为31，即信号中有两个峰，强度比为即信号中有两个峰，强度比为31。答案：答案：(1)AD(2)CH2BrCH2Br231 栏目链接栏目链接变变 式式训训 练练3质子核磁共振谱质子核磁共振谱(PMR)是研究有机化合物结构的是研究有机化合物结构的有力手段之一，在所研究的化合物分子中，每一种结构中有力手段之一，在所研究的化合物分子中，每一种结构中的等性氢原子在的等性氢原子在PMR谱中都给出了相应的峰谱中都给出了相应的峰(信号信号)，谱中，谱中峰的强度与结构中的氢原子数成正比。例如，乙醛的结构峰的强度与结构中的氢原子数成正比。例如，乙醛的结构式为式为CH3CHO，其，其PMR谱中有两个信号，其强度之比为谱中有两个信号，其强度之比为31。分子式为分子式为C3H6O2的有机化合物，如果在的有机化合物，如果在PMR谱上观谱上观察到的氢原子给出的峰有两种情况。第一种情况峰给出的察到的氢原子给出的峰有两种情况。第一种情况峰给出的强度比为强度比为11，请写出其对应化合物的结构简式，请写出其对应化合物的结构简式 栏目链接栏目链接变变 式式训训 练练_，第二种情况峰的强度比为，第二种情况峰的强度比为321，请，请写出该化合物的可能的结构简式写出该化合物的可能的结构简式_。答案：答案：解析：解析： 栏目链接栏目链接