1.2.2有机化合物分子式和分子结构的确定 课件-2024-2025学年高二下学期化学人教版（2019）选择性必修3

第二节 研究有机化合物的一般方法 第一章 有机化合物的结构特点与研究方法 第2课时 有机化合物分子式和分子结构的确定 1 研究有机化合物的一般步骤 确定实验式 确定分子式 确定结构式 分离提纯 蒸馏、萃取、重结晶、 色谱分析等 元素定量分析： 李比希法、元素分析仪 质谱法 波谱分析：质谱、红外光谱、核磁共振氢谱、X射线衍射等 假设你是科研人员，分离提纯青蒿素后，如何确定其结构？ 1. 元素分析的方法： (1)定性分析：鉴定有机物分子的元素组成 (2)定量分析：推算分子内各元素原子的质量分数，确定其实验式。 一、确定实验式 2. 定量分析 C→CO2，H→H2O，Cl →HCl，N → N2， S → SO2 将一定量的有机物燃烧 转化为简单的无机物 定量测定 推算有机物各元素质量分数 计算有机物各元素原子最简整数比 确定实验式（最简式） 李比希法 德国化学家李比希 （1803～1873） 李比希元素分析仪 最简式（实验式）的求法： 李比希还建立了含氮、硫、卤素等有机化合物的元素分析方法。这些方法为现代元素定量分析奠定了基础。 现代元素分析仪 工作原理：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。 优点： （1）分析的精确度和分析速度都达到很高的水平 （2）所需样品量小，分析速度快 （3）可以同时对碳、氢、氧、硫等多种元素进行分析 （4）分析试样可以是易挥发或难熔物质 （5）定性或定量分析均可以 【例题】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】 答：该未知物A的实验式为C2H6O。 (2)计算该有机化合物分子内各元素原子的个数比： N(C):N(H):N(O)= =2:6:1 (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% 【注意】 (2)在有机物的元素分析过程中，需要对燃烧产物CO2和H2O进行定量测定时，要注意CO2和H2O的测定顺序：先用浓硫酸(或无水CaCl2)吸收H2O，再用碱石灰吸收CO2。 (3)分子式是实验式的整数倍。 (1)若有机物的实验式中，碳原子已经达到饱和，则该物质的实验式与分子式相同，如实验式为CH4、C2H6O的物质，其对应的分子式为CH4、C2H6O。 相对分子质量 分子式 有机物中各元素原子的质量分数或质量比 最简式 质谱仪用高能电子流等轰击样品，使有机分子失去电子，形成带正电荷的分子离子和碎片离子等。这些离子因质量不同、电荷不同，在电场和磁场中的运动行为不同。计算机对其进行分析后，得到它们的相对质量与电荷数的比值，即质荷比。 质谱法是快速、精确测定相对分子质量的重要方法。 2. 特点 二、确定分子式 质谱法（MS） 1. 原理 以质荷比为横坐标，以各类离子的相对丰度为纵坐标，根据记录结果所建立的坐标图。 读图要点： (1)质荷比最大值为相对分子质量； (2)还可找出特征基团碎片的质荷比， 如质荷比29则为乙基，质荷比15则为甲基 (3)根据物质性质组合排列基团碎片。 二、确定分子式 质谱法（MS） 3. 质谱图： 1. 标准状态密度法 2. 相对密度法 3. 根据摩尔质量求相对分子质量 根据标准状况下气体的密度ρ ，求算该气体的相对分子质量： 根据气体A相对于气体B的相对密度，求算该气体的相对分子质量： 二、确定分子式 Mr＝22.4×ρ Mr A＝d ×Mr B Mr＝ m总 n总 (1) 原理：有机化合物受到红外线照射时，能吸收与它的某些化学键或官能团的振动频率相同的红外线，通过红外光谱仪的记录形成该有机化合物的红外光谱图。谱图中不同的化学键或官能团的吸收频率不同，因此分析有机化合物的红外光谱图，可获得分子中所含有的化学键或官能团的信息。 (2) 作用：确定有机物中化学键或官能团的种类 三、确定分子结构 1. 红外光谱法（IR）： 醇 C6H14O的红外光谱 3500-3200 1050 C-H C-H 2900 1465 O-H C-O 读图要点：从图谱中找出各种基团，根据物质的性质组合排列基团，找出符合该物质性质的结构 过氧基团（831，881，1115cm-1） 青蒿素红外光谱图 氢原子核具有磁性，如果用电磁波照射含氢元素的化合物，其中的氢核会吸收特定频率电磁波的能量而产生核磁共振现象，用核磁共振仪可以记录到有关信号。处于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，相应的信号在谱图中出现的位置也不同，具有不同的化学位移(用δ表示),而且吸收峰的面积与氢原子数成正比。 2. 核磁共振氢谱(1H-NMR) ： 三、确定分子结构 （1）原理 2. 核磁共振氢谱(1H-NMR) (2) 分析方法： ①根据吸收峰的个数→氢原子的种类数 ②根据吸收峰的面积比→不同种类氢的原子个数比 推知有机物分子中有几种不同类型的氢原子及它们的相对数目 能用氢核磁共振谱鉴别CH3OCH3 、CH3CH2OH吗？ 能，化学位移不同 能用氢核磁共振谱鉴别CH3COOH、HCOOCH3 吗？ 青蒿素核磁共振氢谱 1. 下列有机物中有几种H原子？个数之比？ ２种；９:１ １种 4种；３: ２ :２:１ ４种；３:２:１:６ *规律： 连在同一个碳原子上的相同基团，化学环境相同 应用体验 应用体验 教材 22页 2. 丙醇有两种属于醇类的同分异构体： 1-丙醇 2-丙醇 上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是 。 2-丙醇 3. 分子式为C3H6O2的二元链状混合物，若在1H-NMR谱上观察到氢 原子峰的有两种情况，一种情况的强度为3:3，另一种情况给出峰 的强度为3:2:1，由此推断混合物的组成可能是(结构简式)。 ① CH3COOCH3 与 CH3CH2COOH、 与 HCOOCH2CH3 与 CH3COCH2OH ② CH3COOCH3 ③ CH3COOCH3 思路：根据分子式推出结构含双键，3:3推出结构中有2个不同的甲基，3:2:1可推出结构中有1个-CH3，1个-CH2- ，1个-OH或 H-C 应用体验 (1)原理：X射线是一种波长很短(约10-10m)的电磁波，它和晶体中的原子相互作用可以产生衍射图。经过计算可以从中获得分子结构的有关数据。将X射线衍射技术用于有机化合物(特别是复杂的生物大分子)晶体结构的测定，可以获得更为直接而详尽的结构信息。 (2)作用： 可以获得分子结构的有关数据，包括键长、键角等分子结构信息。 3. X射线衍射： 三、确定分子结构 科学∙技术∙社会——青蒿素结构的测定 20世纪70年代初，外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有效成分青蒿素，随后展开了对青蒿素分子结构的测定和相关医学研究。中国科学院上海有机化学研究所和中国中医研究院中药研究所等单位的科学家们通过元素分析和质谱法分析，确定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（—O—O—）。1975年底，我国科学家通过X射线衍射最终测定了青蒿素的分子结构。 我国科学家通过X射线衍射获得的青蒿素的分子结构 课堂小结：确定有机化合物结构的方法 $$