第一章 有机化合物的结构特点与研究方法（知识清单）-【上好课】高二化学同步高效课堂（人教版2019选择性必修3）

第一章 有机化合物的结构特点与研究方法 知识清单 第一节 有机化合物的结构特点 知识点一：有机化合物的分类方法 一、依据碳骨架分类 1．链状化合物 (1)脂肪烃一般包括烷烃、烯烃和炔烃。  (2)脂肪烃衍生物 2．环状化合物 这类有机化合物分子中含有由碳原子构成的环状结构。  (1)脂环化合物:分子中含有碳环(非苯环)的化合物。如(环己烷)、(环己烯)、(环己醇)等。  (2)芳香族化合物:分子中含有苯环的化合物。如(苯)、(萘)、(溴苯)等。  二、依据官能团分类 1．官能团是指决定有机化合物特性的原子或原子团。如甲醇性质与甲烷性质不同是因为甲醇分子中含有官能团羟基(—OH)。  2．有机物的主要类别、官能团和典型代表物 (1)烃类物质 类别 官能团 典型代表物 结构 名称 名称 结构简式 烷烃 — — 甲烷 CH4 烯烃 碳碳双键 乙烯 CH2=CH2 炔烃 —C≡C— 碳碳三键 乙炔 HC≡CH 芳香烃 — — 苯 (2)烃的衍生物 类别 官能团 典型代表物 结构 名称 名称 结构简式 卤代烃 碳卤键 溴乙烷 CH3CH2Br 醇 —OH 羟基 乙醇 CH3CH2OH 酚 —OH 羟基 苯酚 醚 醚键 甲醚 醛 醛基 乙醛 酮 酮羰基 丙酮 羧酸 羧基 乙酸 酯 酯基 乙酸乙酯 胺 —NH2 氨基 甲胺 CH3NH2 酰胺 酰胺基 乙酰胺 三、官能团、基以及根的概念辨析 官能团 基 根(离子) 概念 决定化合物特殊性质的原子或原子团 化合物分子中去掉某些原子或原子团后,剩下的原子团 指带电荷的原子或原子团 电性 电中性 电中性 带电荷 稳定性 不稳定,不能独立存在 不稳定,不能独立存在 稳定,可存在于溶液中、熔融状态下或晶体中 实例 —OH羟基 —CHO醛基 —CH3甲基 —OH羟基 —CHO醛基 —COOH羧基 N铵根离子 OH-氢氧根离子 联系 官能团属于基,但是基不一定是官能团,如甲基(—CH3)不是官能团;根和基可以相互转化,如OH-失去1个电子可转化为—OH,而—OH获得1个电子可转化为OH- 四、辨别常见官能团应注意的事项 1．含羟基化合物 2．醚键与酯基的区别:醚键是两烃基通过O原子相连,如CH3OC2H5;酯基是,R为烃基,如。 3．醛与酮的区别:醛是至少一端连接H,如,酮是两端连接烃基,如。 知识点二：有机化合物中的共价键 一、共价键的类型 1．碳原子的结构及成键特点 2．共价键的类型 (1)根据成键原子的重叠方式的不同，分为σ键和π键。  (2)σ键(以甲烷分子为例) 形成:在甲烷分子中，氢原子的1s轨道与碳原子的一个sp3杂化杂化轨道沿着两个原子核间的键轴，以“头碰头”的形式相互重叠，形成了σ键。  特点:通过σ键连接的原子或原子团可绕键轴旋转而不会导致化学键的破坏。 σ键的对称性:轴对称。  (3)π键(以乙烯分子为例) 形成:在乙烯分子中，两个碳原子均以sp2杂化轨道与氢原子的1s轨道及另一个碳原子的sp2杂化轨道进行重叠，形成4个C—H σ键与1个C—C σ键；两个碳原子未参与杂化的p轨道以“肩并肩”的形式从侧面重叠，形成了π键。  特点:π键的轨道重叠程度比σ键的小，所以不如σ键牢固，比较容易断裂而发生化学反应。通过π键连接的原子或原子团不能绕键轴旋转。 π键的对称性:镜面对称。  注意:一般情况下，有机化合物中的单键是σ键，双键中含有一个σ键和一个π键，三键中含有一个σ键和两个π键。 (4)共价键的类型对有机化合物性质的影响 π键的轨道重叠程度比σ键的小，比较容易断裂而发生化学反应。例如乙烯和乙炔分子的双键和三键中含有π键，都可以发生加成反应，而甲烷分子中含有C—H σ键，可发生取代反应。 二、共价键的极性与有机反应 1．由于不同的成键原子间电负性的差异，共用电子对会发生偏移。偏移的程度越大，共价键极性越强，在反应中越容易发生断裂。因此有机化合物的官能团及其邻近的化学键往往是发生化学反应的活性部位。  2．实验探究 实验操作:向两只分别盛有蒸馏水和无水乙醇的烧杯中各加入同样大小的钠(约绿豆大)。 现象 解释 结论 两只烧杯中均有气泡产生，乙醇与钠反应缓慢，蒸馏水与钠反应剧烈 乙醇可以与钠反应产生氢气,是因为乙醇分子中的氢氧键极性较强，能够发生断裂。用方程式可表示为:  相同条件下，乙醇与钠的反应没有水与钠的反应剧烈，是由于乙醇分子中氢氧键的极性比水分子中氢氧键的极性弱。 基团之间的相互影响使得官能团中化学键的极性发生变化,从而影响官能团和物质的性质 另外,由于羟基中氧原子的电负性较大,乙醇分子中的碳氧键极性也较强,也可断裂,如乙醇与氢溴酸的反应: 。 知识点三：有机化合物的同分异构现象 1．定义 化合物具有相同的分子式，但具有不同结构的现象叫同分异构现象，具有同分异构现象的化合物互为同分异构体。  2．分类 同分异构现象分为构造异构以及立体异构，构造异构又分为官能团异构、碳架异构、位置异构；立体异构后期讨论。 3．键线式： 在表示有机化合物的组成和结构时，将碳、氢元素符号省略，只表示分子中键的连接情况和官能团，每个拐点或终点均表示有一个碳原子，这样得到的式子称为键线式。例如:丙烯可表示为 ,乙醇可表示为。 4．同分异构体的书写 (1)减碳法(碳链异构) 可概括为“两注意、四顺序”。 下面以C7H16为例，写出它的同分异构体: ①将分子写成直链形式: CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH3。 ②从直链上去掉一个—CH3，依次连在剩余碳链中心对称线一侧的各个碳原子上。甲基可连在2、3号碳原子上:，根据碳链中心对称，将—CH3连在对称轴的右侧就会与左侧连接方式重复。 ③再从主链上去掉一个碳原子，可形成一个—CH2CH3或两个—CH3，即主链变为。当取代基为—CH2CH3时，由对称关系只能接在3号碳原子上。当取代基为两个甲基时，在主链上先定一个甲基，按照位置由近至远的顺序依次移动另外一个甲基，注意不要重复。即两个甲基可分别连接的碳原子号码是:2和2、2和3、2和4、3和3。 (2)取代法(适用于醇、卤代烃异构) 先碳链异构，后位置异构。如书写分子式为C5H12O的醇的同分异构体。如下(数字即为—OH接入后的位置，即这样的醇合计为8种): (3)插入法(适用于烯烃、炔烃、酯等) 先根据给定的碳原子数写出烷烃的同分异构体的碳链骨架，再将官能团插入碳链中。 如书写分子式为C4H8的烯烃的同分异构体(插入双键)，双键可分别在①、②、③号位置: 5．同分异构体数目的确定 (1)烃基数确定一取代产物数目 —CH3、—C2H5各1种;—C3H7:2种;—C4H9:4种;—C5H11:8种。如丁醇、戊醛、戊酸等都有4种同类别的同分异构体。 (2)替代法 如二氯苯(C6H4Cl2)有3种同分异构体，则四氯苯(C6H2Cl4)也有3种同分异构体(将H替代Cl)。 (3)等效氢法 ①同一甲基上的氢原子是等效的。 ②同一碳原子上所连甲基上的氢原子是等效的。 如新戊烷()的四个甲基是等效的,所有的氢原子都是等效的，故新戊烷的一氯代物只有一种。 ③处于对称位置上的氢原子是等效的。如的六个甲基是等效的，18个氢原子都是等效的，因此该物质的一氯代物也只有一种。 (4)组合法:的苯环的一氯代物有3×4=12种。 (5)定一移一法 对于二元取代物同分异构体的判断，可固定一个取代基位置，再移动另一个取代基，以确定同分异构体数目。 第二节 研究有机化合物的一般方法 知识点一：分离、提纯 一、研究有机化合物的基本步骤 研究有机化合物一般要经过的几个基本步骤: 从天然资源中提取有机物成分,首先得到的是含有有机物的粗品。在工厂生产、实验室合成有机化合物也不可能直接得到纯净物,得到的往往是混有未参加反应的原料或反应副产物等的粗品。因此,必须经过分离、提纯才能得到纯品。如果要鉴定和研究未知有机物的结构与性质,必须得到更纯净的有机物。  二、有机物的分离、提纯方法 1．蒸馏 (1)定义:利用混合液体中各组分沸点不同,使低沸点组分蒸发,再冷凝以分离整个组分的操作过程。  (2)适用范围及条件 分离和提纯互相溶解的沸点不同的液态有机混合物;当液态有机物含有少量杂质,而且该有机物热稳定性较强,与杂质的沸点相差较大时,就可以用蒸馏法提纯此液态有机物。  ①实验仪器:铁架台(铁圈、铁夹)、酒精灯、石棉网、蒸馏烧瓶、　温度计、　冷凝管、牛角管等。  ②装置 注意事项:(ⅰ)温度计水银球位于蒸馏烧瓶支管口处。  (ⅱ)碎瓷片的作用:防止暴沸。  (ⅲ)冷凝管中水流的方向是下口进入，上口流出。  2．萃取 (1)实验原理:①有机物在两种互不相溶且密度不同的溶剂中的溶解度不同;②将有机物从一种溶剂转移到另一种溶剂中。 (2)适用范围:溶质在两种互不相溶的溶剂中的溶解度不同。 (3)萃取的分类 萃取包括液-液萃取和固-液萃取。  ①液-液萃取是利用有机化合物在两种互不相溶的溶剂里的溶解度不同,将有机化合物从一种溶剂转移到另一种溶剂的过程。 ②固-液萃取是用有机溶剂从固体物质中溶解出有机化合物的过程,在实验室和工厂中用专用的仪器和设备进行这一操作。 (4)萃取操作常用的玻璃仪器是分液漏斗。  操作注意事项:①振荡、静置、分液;②上层液体上口出,下层液体下口出。 3．重结晶 (1)原理 利用有机物和杂质在同一溶剂中溶解度随温度的变化程度不同,常用冷却结晶或蒸发结晶将有机物分离出来,是提纯固体有机物的常用方法。  (2)适用条件 ①重结晶是提纯固体有机物的常用方法。 ②杂质在所选溶剂中的溶解度很大或很小,易于除去。  ③被提纯的有机物在所选溶剂中的溶解度受温度的影响较大;该有机物在热溶液中的溶解度很大,在冷溶液中的溶解度很小,冷却后易于结晶析出。  (3)实验装置与操作步骤 4．色谱法 (1)色谱法利用不同物质在不同相态的选择性分配,以流动相对固定相中的混合物进行洗脱,混合物中不同的物质会以不同的速率沿固定相移动,最终达到分离的效果。 (2)色谱法基本原理是指在填充色谱柱中,当组分随流动相向柱出口迁移时,流动相由于受到固定相颗粒障碍,不断改变流动方向,使组分分子在前进中形成紊乱的类似涡流的流动,故称涡流扩散。 (3)色谱法(层析法)是现代分析化学中重要的分离、分析技术,它是由俄国科学家茨韦特发明的。茨韦特在研究植物叶的色素成分时,将植物叶子的萃取物倒入填有碳酸钙的直立玻璃管内,然后加入石油醚使其自由流下,结果色素中各组分互相分离形成各种不同颜色的谱带。 (4)色谱法可有以下几种分类方法: ①按分离原理分类:色谱法可以分为吸附色谱法、分配色谱法、离子交换色谱法与分子排阻色谱法等。 ②按操作形式分类:色谱法可分为平面色谱法、柱色谱法及电泳法。 ③按两相物态分类:根据流动相分子的聚集状态,色谱法可分为气相色谱法和液相色谱法。 三、分离、提纯的常用方法 方法 目的 主要仪器 实例 萃取 将溶质从一种溶剂中转移到另一种溶剂中 分液漏斗 用四氯化碳将碘水中的碘提取出来 分液 分离互不相溶的液态混合物 分液漏斗 分离汽油和水 重结 晶 利用温度对溶解度的影响提纯物质 烧杯、漏斗、酒精灯(蒸发皿) 提纯苯甲酸 洗气 分离、提纯气体混合物 洗气瓶 除去甲烷中的乙烯 盐析 溶液与胶体的分离 — 分离鸡蛋清中的蛋白质 蒸馏 分离、提纯沸点相差较大的液态混合物 蒸馏烧瓶、冷凝管、酒精灯 分离乙酸和乙醇 知识点二：确定实验式、分子式、结构式 一、确定实验式 1．用化学方法鉴定有机物分子的元素组成。如燃烧后,一般C生成CO2，H生成H2O，N生成N2，S生成SO2，Cl生成HCl。  2．定量分析法(李比希法) 二、确定分子式 相对分子质量的测定——质谱法 1．原理图示: 2．质荷比:指分子离子、碎片离子的相对质量与其电荷的比值。质谱图中,质荷比的最大值就表示了样品分子的相对分子质量。  例如,由图可知,样品分子的相对分子质量为46。  3．质谱法的优点:快速、微量、精确。 三、确定结构式 1．红外光谱 (1)作用:初步判断某有机物中含有何种化学键或官能团。  (2)原理:不同的化学键或官能团吸收频率不同,在红外光谱图上将处于不同的位置。 例如,分子式为C2H6O的红外光谱上发现有O—H、C—H和C—O,可推知该分子的结构简式为C2H6OH。  红外光谱仪的结构与工作原理如下图所示: 2．核磁共振氢谱 (1)作用:测定有机物分子中氢原子的种类和数目。 (2)原理:处在不同化学环境中的氢原子因产生共振时吸收电磁波的频率不同,相应的信号在谱图上出现的位置也不同,具有不同的化学位移,而且吸收峰的面积与氢原子数成正比。  简易核磁共振氢谱仪的结构如图: (3)分析:吸收峰数目=氢原子种类,吸收峰面积之比=氢原子数之比。  例如,C2H5—OH的核磁共振氢谱有3组峰,面积之比为1:3:2。而CH3OCH3的核磁共振氢谱有3　　　　　　组峰。  3．X射线衍射 当一束单色X射线入射到晶体时,由于晶体是由原子规则排列成的晶胞组成的,这些规则排列的原子间距离与入射X射线波长有相同数量级,故由不同原子散射的X射线相互干涉,在某些特殊方向上产生强X射线衍射,衍射线在空间分布的方位和强度与晶体结构密切相关。这就是X射线衍射的基本原理。 四、不同方法确定有机物的分子结构 / 学科网（北京）股份有限公司 $$