20 第3章 第2节 有机化合物结构的测定-【正禾一本通】2024-2025学年高中化学选择性必修3同步课堂高效讲义教师用书（鲁科版2019 单选）

第2节　有机化合物结构的测定 [素营养发展目标]　1．初步了解测定有机化合物元素含量、相对分子质量的一般方法，并能根据其确定有机化合物的分子式。2．知道红外光谱、核磁共振氢谱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。 一、有机化合物分子式的确定 1．有机化合物元素组成的确定 (1)碳、氢元素质量分数的测定——燃烧分析法 (2)氮元素质量分数的测定 (3)卤素质量分数的测定 AgX (4)氧元素质量分数的计算 === 2．有机化合物相对分子质量的确定 (1)通过实验，根据实验数据求算相对分子质量。 (2)有机物相对分子质量一般用质谱法进行测定。 二、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：有机化合物分子的不饱和度＝x(C)＋1－。 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、硫原子，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)常见官能团的不饱和度 化学键 不饱和度 化学键 不饱和度 一个碳碳双键 1 一个碳碳三键 2 一个羰基 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)实验方法 常见官能团的实验推断方法： 可能的官能团 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 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 学生用书第85页 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 硝基 (NH4)2Fe(SO4)2溶液、硫酸及KOH的甲醇溶液 溶液由淡绿色变为红棕色 氰基 强碱水溶液(加热) 有氨气放出 (2)物理方法：通过红外光谱(IR)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。 4．实例——医用胶单体的结构确定 (1)确定分子式 ①通过测定各元素的含量确定其实验式为C8H11NO2。 ②由质谱法测定出该样品的相对分子质量为153．0，则确定其分子式为C8H11NO2。 (2)推导结构式 ①计算该样品分子的不饱和度，推测分子中是否含有苯环、碳碳双键、碳碳三键或碳氧双键，不饱和度＝x(C)＋1－＝8＋1－＝4。 ②用化学方法推测样品分子中的官能团。 a．加入溴的四氯化碳溶液，橙红色溶液褪色，说明可能存在。 b．加入(NH4)2Fe(SO4)2溶液，H2SO4及KOH的甲醇溶液无明显变化，说明无—NO2。 c．加入NaOH溶液并加热，有氨气放出，说明有—CN。 ③波谱分析——据此推测样品中的官能团在碳链上的位置 a．红外光谱图：有机物中存在—CN、、 b．核磁共振氢谱：有机物中有4种H，且个数比为2∶2∶1∶6；该有机物中有CH2 、 ④确定有机物的结构简式为。 1．某含C、H、O三种元素的有机物A经元素分析仪测定，含碳、氢的质量分数分别为52．16%、13．14%，则该有机物的分子式为(　　) A．C2H6　　　　　 B．C2H6O C．C6H6O D．C2H6O2 B　[有机物A中C、H、O的原子个数比为∶∶＝2∶6∶1，则该有机物的实验式为C2H6O，其中氢原子数已达到饱和，该实验式即为A的分子式，故B选项正确。] 2．某有机物的氧化产物是甲，还原产物是乙。甲和乙都能与钠反应放出H2，甲和乙反应生成丙，甲和丙都能发生银镜反应。该有机物是(　　) A．甲醛　　B．乙醛　　C．甲酸　　D．甲醇 A　[某有机物的氧化产物是甲，还原产物是乙，甲和乙都能与钠反应放出H2，该有机物属于醛，甲为羧酸、乙为醇，甲和乙反应生成丙，则丙为酯，甲和丙都能发生银镜反应，故甲为甲酸，乙为甲醇，丙为甲酸甲酯，该有机物为甲醛。] 3．核磁共振氢谱是指有机物分子中的氢原子所处的化学环境(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氢谱图中坐标的位置(化学位移，符号为δ)也就不同。现有一物质的核磁共振氢谱如图所示： 学生用书第86页 则可能是下列物质中的(　　) A．CH3CH2CH3　　　　 B．CH3CH2CH2OH C．CH3CH2CH2CH3 D．CH3CH2CHO B　[由核磁共振氢谱图知该有机物分子中含有4种不同化学环境的氢原子，A物质分子中有2种不同化学环境的氢原子，B物质分子中有4种不同化学环境的氢原子，C物质分子中有2种不同化学环境的氢原子，D物质分子中有3种不同化学环境的氢原子。] 一、有机化合物分子式的确定方法 1．如何计算有机物的相对分子质量？ 提示：相对分子质量在数值上与摩尔质量相等，所以可以用计算摩尔质量的方法计算相对分子质量。 (1)Mr＝； (2)M＝22．4ρ(ρ为标准状况下的气体密度)； (3)M＝D相对·M′； (4)＝(同温、同压、同体积的两种气体)。 2．实验式和分子式有何异同？ 提示：实验式(最简式)只是说明了物质中元素原子的物质的量之比，分子式说明了物质分子的具体组成；二者中各元素的百分比一定相同，不同的是原子的个数，但有时实验式和分子式相同，如CH4。 有机化合物分子式的确定方法 1．直接法 (1)由题意求算出1 mol有机化合物中各元素原子的物质的量，从而确定各原子的个数，即可推出分子式。 (2)利用相对分子质量及各元素质量分数，直接求算出1分子有机物中各元素的原子个数，从而确定分子式。例如：N(C)＝， 　 N(H)＝，N(O)＝。 2．实验式法 先利用有机物中各元素的质量分数求出有机物的最简式，再结合有机物的相对分子质量求得分子式。例如：N(C)∶N(H)∶N(O)＝∶∶＝a∶b∶c(最简整数比)，则最简式为CaHbOc，分子式为(CaHbOc)n，n＝。 3．通式法 类别 通式 相对分子质量 烷烃 CnH2n＋2 Mr＝14n＋2(n≥1) 烯烃、环烷烃 CnH2n Mr＝14n(烯烃：n≥2；环烷烃：n≥3) 续表 类别 通式 相对分子质量 炔烃、二烯烃 CnH2n－2 Mr＝14n－2(炔烃：n≥2，二烯烃：n≥4) 苯及其同系物 CnH2n－6 Mr＝14n－6(n≥6) 饱和一元醇 CnH2n＋2O Mr＝14n＋18(n≥1) 饱和一元醛 CnH2nO Mr＝14n＋16(n≥1) 饱和一元酸及酯 CnH2nO2 Mr＝14n＋32(羧酸：n≥1，酯：n≥2) 4．商余法 用烃(CxHy)的相对分子质量除以14，看商和余数(Mr：相对分子质量n：分子式中碳原子的数目)。 (1)＝n……2(烷烃)，该烃分子式为 CnH2n＋2。 学生用书第87页 (2)＝n……0(烯烃、环烷烃)，该烃分子式为CnH2n。 (3)＝(n－1)……12(炔烃、二烯烃)，该烃分子式为CnH2n－2。 (4)＝(n－1)……8(苯及苯的同系物)，该烃分子式为CnH2n－6。 5．化学方程式法 利用燃烧反应的化学方程式，由题给条件并依据下列燃烧通式所得CO2和H2O的量求解x、y、z。 (1)Cx Hy＋(x＋)O2xCO2＋H2O。 (2) CxHyOz＋(x＋－)O2xCO2＋H2O。 6．平均值法 当几种烃混合时，往往能求出其平均分子式。把混合物当成一种烃分子计算时，可以得平均摩尔质量，进而求出平均分子式。若平均摩尔质量为，两种成分的摩尔质量分别为M1、M2，且M1<M2，则一定有M1<< M2。平均分子式中C、H个数介于两种成分之间，故可确定烃的范围。 1．某气态有机物X含C、H、O三种元素，已知下列条件，现欲确定X的分子式，所需的最少条件是(　　) ①X中含碳质量分数　②X中含氢质量分数　③X在标准状况下的体积　④质谱法确定X的相对分子质量　⑤X的质量 A．①② B．①②④ C．①②⑤ D．③④⑤ B　[由C、H质量分数可推出O的质量分数，由各元素的质量分数可确定X的实验式，由相对分子质量和实验式即可确定X的分子式。] 二、有机化合物结构式的确定方法 1．请思考下列官能团：醇羟基、酚羟基、羧基能否与金属钠反应生成氢气？能否与Na2CO3溶液反应？能否与Na2CO3溶液反应生成CO2? 提示： 官能团 能否与Na反应 能否与Na2CO3反应 能否与Na2CO3 反应生成CO2 醇羟基 能 否 否 酚羟基 能 能 否 羧基 能 能 能 2．(思维升华)1­丁醇与乙醚互为同分异构体，两者的质谱图是否相同？ 提示：不相同。互为同分异构体的有机物，最大质荷比相同，但其余碎片峰质荷比不同。 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 (1)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。 (2)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。 学生用书第88页 例如：能使溴的四氯化碳溶液褪色的有机物分子中 可能含有，不能使溴的四氯化碳溶液褪色却能使酸性高锰酸钾溶液褪色的可能是苯的同系物等。 (3)通过定性实验确定官能团的位置。 ①若由醇氧化得到醛或羧酸，可推知—OH一定连接在有2个氢原子的碳原子上，即存在—CH2OH；由醇氧化为酮，推知—OH一定连在有1个氢原子的碳原子上，即存在；若醇不能在催化剂作用下被氧化，则—OH所连的碳原子上无氢原子。 ②由消去反应的产物，可确定—OH或—X的位置。 ③由取代反应产物的种数，可确定碳链结构。如烷烃，已知其分子式和一氯代物的种数时，可推断其可能的结构。有时甚至可以在不知其分子式的情况下，判断其可能的结构简式。 ④由加氢后碳链的结构，可确定原物质分子的位置。 (4)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。 2．(1)如图所示，分别为有机物A的质谱图和红外光谱图。 ①A的结构简式为 ________________________________________________________________________。 ②写出属于醇类，与A互为同分异构体的结构简式： ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 (2)相对分子质量不超过100的有机物B，既能与金属钠反应产生无色气体，又能与碳酸氢钠反应产生无色气体，还可以使溴的四氯化碳溶液褪色。B完全燃烧只生成CO2和H2O。经分析，其含氧元素的质量分数为37． 21%。经核磁共振仪检测发现B的氢谱图如下： B的结构简式为 ________________________________________________________________________。 解析：(1)①质谱图中，质荷比的最大值表示样品分子的相对分子质量，故A的相对分子质量为74，由红外光谱图能够推断出A中含有对称的—CH3与—CH2— 和醚键，所以A的结构简式为CH3CH2OCH2CH3。②由于C4H9 —有4种结构，故A属于醇类的同分异构体有4种。 (2)推断有机物B的结构简式，既要结合氢谱图，还要根据B的性质。B能与金属钠反应产生无色气体，也能与碳酸氢钠反应产生无色气体，说明B中至少含有一个羧基，同时还可能含有羟基等，为含氧衍生物。根据含氧量可以试推出B的相对分子质量，如分子中含有2个氧原子，则B的相对分子质量为86，如果含有3个氧原子，相对分子质量为129，大于100，不符合要求，所以B只含有一个羧基，又因为可以使溴的四氯化碳溶液褪色，所以还含有碳碳双键。B的分子式为C4H6O2，再结合核磁共振氢谱图显示B中含有三种等效氢，且个数比为3∶2∶1可以推断其结构简式为CH2===== C（CH3）COOH。 1.现有某天然有机化合物，拟对其进行研究，一般采取的研究步骤是（　　） A.分离、提纯→确定化学式→确定分子式→确定结构式 B.分离、提纯→确定实验式→确定分子式→确定结构式 C.分离、提纯→确定结构式→确定实验式→确定分子式 D.确定分子式→确定实验式→确定结构式→分离、提纯 B　[研究有机化合物的一般步骤：先分离、提纯，再通过元素分析确定其实验式；然后通过测定相对分子质量来确定分子式；最后通过化学分析或仪器分析确定其结构式，B项正确。] 学生用书第89页 2.某烃充分燃烧产生22.4 L CO2（标准状况）和9 g H2O，则该烃的实验式为（　　） A.CH　　　B．CH2 C．CH3　　　D．CH4 A　[n（CO2）＝＝1 mol，n（H2O）＝＝0.5 mol，则n（C）∶n（H）＝1∶1，即该烃分子的实验式为CH。] 3.燃烧0.2 mol某有机物，得到0.4 mol CO2和0.6 mol H2O，由此可得出的结论是（　　） A.该有机物中含有2个碳原子和6个氢原子 B.该有机物中碳和氢的原子个数比为3∶1 C.该有机物中含有2个CO2和3个H2O D.1 mol该有机物中含有2 mol碳原子和6 mol氢原子，还可能含有氧原子 D　[该有机物1 个分子中含有2个碳原子和6个氢原子，A项错误；该有机物中碳、氢原子的个数比为1∶3，B项错误；该有机物中不含二氧化碳，也不含水，C项错误。] 4.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，发现与乙醇一样透过率在同一处波数被吸收。图谱如下： 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，实验式为C5H12Ox（x＝0，1，2，……）。（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）由A的相对分子质量为136得A的分子式为C5H12O4，取少量样品熔化，加入钠有氢气放出，A分子中不含有不饱和键，说明A分子中含有羟基。（4）进行核磁共振，发现只有两组特征峰，且峰面积比为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，发现与乙醇一样透过率在同一处波数被吸收，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，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，实验式为C5H12Ox（x＝0，1，2，……） （2）C5H12O4 （3）羟基 （4）C（CH2OH）4 学科网（北京）股份有限公司 $$