1.2.2 有机化合物组成与结构的研究 课件 2024-2025学年高二下学期苏教版（2019）选择性必修3

专题1 有机化学的发展及研究思路 第二单元 科学家怎样研究有机物 1.2.2 有机化合物组成与结构的研究 ［课标要求］ 知道红外光谱、核磁共振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。 科学史话 20世纪70年代初，我国屠呦呦等科学家使用乙醚从中药中提取并用柱色谱分离得到抗疟疾有效成分青蒿素。 科学家们通过元素分析和质谱法分析，确定了青蒿素的相对分子质量为282，分子式为C15H22O5。 经红外光谱和核磁共振谱分析，确定青蒿素分子结构中含有酯基和甲基等结构片段。 通过化学反应证明其分子中含有过氧基团（—O—O—） 1975年底，中国科学院的科学家通过X射线衍射最终测定了 青蒿素的分子结构。 科学家研究有机化合物时，需要知道该化合物由哪些元素组成，各元素的质量分数是多少。由此，科学家就能够知道有机化合物的最简式（最简式又称实验式，指有机化合物所含各元素原子个数的最简整数比。），比如葡萄糖（C11H22O11）的最简式为CH2O。 例如：某种含C、H、O三种元素的未知物A，经燃烧分析实验测得其中碳的质量分数为52.2%，氢的质量分数为13.1%。试求该未知物A的实验式。 解：（1）计算该有机化合物中氧元素的质量分数： w(O)=100%-52.2%-13.1%=34.7% 答：该未知物A的实验式为C2H6O。 一、有机化合物组成的研究 如何确定有机物的元素组成 有机化合物通常含有碳元素和氢元素。1831年，李比希（J. von Liebig）最早提出测定有机化合物中碳、氢元素质量分数的方法，其基本原理是利用氧化铜在高温下氧化有机物，生成水和二氧化碳，然后分别采用高氯酸镁和烧碱石棉剂（简称碱石棉，即附有氢氧化钠的石棉）吸收水和二氧化碳，根据吸收前后的质量变化获得反应生成的水和二氧化碳的质量，进而确定有机化合物中氢和碳的质量分数。 使用钠熔法可定性分析有机物中是否存在氮、氯、溴、硫等元素。将有机样品与金属钠混合熔融，氮、氯、溴、硫等元素将以氰化钠、氯化钠、溴化钠、硫化钠等形式存在，再用无机定性分析法测定。 使用铜丝燃烧法可定性分析有机物中是否存在卤素。将一根纯铜丝加热至红热，蘸上试样，放在火焰上灼烧，若存在卤素，火焰则为绿色。 方法导引 1、李比希元素分析法 Mg(ClO4)2 NaOH 对比分析以下两套装置的异同，分析其中的原因。 准确获取反应生成水和二氧化碳的质量 定量实验之魂——准确！ 防止空气进入装置中， 减少实验误差。 理解应用 某同学为测定维生素C中碳、氢的质量分数，取维生素C样品研碎，称取该试样 0.352g，置于铂舟并放入燃烧管中，不断通入氧气流。用酒精喷灯持续加热样品，将生成物先后通过浓硫酸和碱石灰，两者分别增重0.144 g和0.528g，生成物完全被吸收。试回答以下问题。 （1）维生素C中碳的质量分数是 ，氢的质量分数是 。（答案精确至0.01%） （2）维生素C中是否含有氧元素？为什么？ 40.19% 4.55% 有 现在，人们常借助元素分析仪来确定有机化合物的 组 成 。 元素分析仪的工作原理是在不断通入氧气流的条件下 ，把样品加热到950～1200℃，使之充分燃烧，再对燃烧产物进行自动分析。元素分析仪自动化程度高，分析元素含量时所需样品量小，分析速度快，可以同时对碳、氢、氧、硫等多种元素进行分析，分析试样可以是液态或固态物质。 2、现代元素分析 二、有机化合物结构的研究 李比希对“基团”概念的贡献 1831年，德国化学家李比希在研究樟脑、樟脑酸、苦杏仁油等物质的基础上，开始尝试建立有机化合物的分类体系。他指出：“无机化学中的‘基’是简单的，有机化学中的‘基’则是复杂的，这是两者的不同点，但化学的规律是一样的。”1838年，他提出了“基”的定义： 1. 有机化学中的“基”是一系列化合物中不变的部分。 2.“基”在化合物中可被某种元素的单个原子所替代。 3. 替代“基”的基团，可以被其他基团所取代。 从此，有机化学中“基”的概念就确定了。李比希通过基团理论初步归纳总结了一些有机反应机理。现在看来，“基团理论”存在着不少缺陷，如“基”并非一成不变等。但李比希开拓性的工作，启发和引导后来的化学家们对有机化合物分子结构与性质之间的关系展开了卓有成效的研究。 科学史话 “基团理论”对有机化学的发展起到了巨大的推动作用，后来人们也在不断完善这一理论。直到今天，人们在研究有机化合物时仍首先研究其所具有的基团，如羟基（—OH）、醛基（—CHO）、羧基（—COOH）、氨基（—NH2）、烃基（—R）等，不同的基团具有不同的结构和性质特点。 请根据图1-11所示的乙醇分子的结构回答以下问题。 1. 乙醇分子中有几种不同化学环境的氢原子？ 2. 图1-12是分子式为C2H6O的两种有机化合物的1H核磁共振谱图，你能分辨出哪一幅是乙醇的1H - NMR谱图吗?请说出你作出判断的理由。 1、1H核磁共振谱（1H-NMR）图 原理： 有机物分子中的氢原子核所处的化学环境（即其附近的基团）不同，表现出的核磁性就不同，代表核磁性特征的峰在核磁共振谱图中横坐标的位置（化学位移，符号为δ）也就不同。 观察思考 C2H6O 二甲醚（CH3—O—CH3） 乙醇（CH3—CH2—OH） 三种处于不同化学环境的氢原子 三组特征峰 只有一种化学环境的氢原子 一组特征峰 CH3—O—CH3 CH3—CH2—OH 特征峰的数目=氢原子种类数 吸收峰的面积比=各类型氢原子数目比 思考：结合以上例子，分析如何判断不同化学环境的氢原子？ (1)、连在同一个碳原子上的氢原子等效。如：CH4 (2)、分子中处于镜面对称位置上的氢原子是等效的。如：CH3OCH3 (3)、同一个碳原子上所连接的甲基(—CH3)上的氢原子等效。 如： 1 2 1 1 1 1 1 2 烃的一元取代物同分异构体数目的判断方法——等效氢法 理解应用 1、下列有机物分别有几种处于不同化学环境的H原子以及个数之比？ 1 4 4 2 2、丙醇有两种属于醇类的同分异构体： CH3CH2CH2OH CH3CH(OH)CH3 1-丙醇 2-丙醇 理解应用 右图是其中一种物质的核磁共振氢谱，则与该谱图对应的物质的名称为：_______ 2-丙醇 2、红外光谱图 原理： 利用有机化合物分子中不同基团（如官能团）在红外光辐射下的特征吸收频 率不同 ， 测 试并记录有机化合物对一定波长范围的红外光吸收情况。 —OH C—H 理解应用 已知某有机物A的红外光谱和1H核磁共振谱如下图所示，下列说法不正确的是（ ） A. 由红外光谱可知，该有机物中至少有三种不同的化学键 B. 由1H核磁共振谱可知，该有机物分子中有三种不同化学环境的氢原子 C. 仅由1H核磁共振谱无法得知其分子中的氢原子总数 D. 若A的化学式为C2H6O，则其结构简式为CH3—O—CH3 D 3、质谱法 ——测定有机物的相对分子质量 原理： 用高能电子束轰击有机物分子，使之分离成带电的“碎片”，不同的带电“碎片”的质量（m）和所带电荷（z）的比值不同，就会在不同的m/z处出现对应的特征峰。可根据特征峰与碎片离子的结构对应关系分析有机物的结构。 分子离子：由分子失去1个电子产生的离子 →分子离子峰 苯的分子离子峰：78 分子离子可以进一步发生化学键的断裂生成碎片离子 →碎片离子峰 碎片离子峰 蒸馏、萃取分液、重结晶等 元素定量分析 质谱法 波谱分析：红外光谱、核磁共振氢谱 分离、提纯 确定实验式 确定分子式 确定分子结构 红外光谱——化学键和官能团 核磁共振氢谱——氢原子的种类和数目 课堂总结 $$