内容正文:
第49讲 有机化合物的结构特点与研究方法
课标要求
1.能辨识有机化合物的类别及分子中官能团,能根据有机化合物的命名规则对常见有机化合物进行命名。
2.知道研究有机化合物结构的一般方法和有机化合物分离、提纯的常用方法。
考点一 有机化合物的分类和命名
(一)有机化合物的分类
1.有机化合物的分类标准
分类标准
类别
概念
根据组
成元素
烃
只由 两种元素组成
烃的
衍生物
含有碳、氢以外的其他元素
根据碳骨
架的形状
链状有机化合物
分子中原子间结合成链的化合物
环状有机化合物
分子含有环的化合物
根据分子
中的官能团
烯烃、炔烃、卤代烃、醇、酚、醛、酮、羧酸、酯、胺、酰胺等
【提醒】 (1)含醛基的物质不一定为醛类,如属于羧酸、属于酯。
(2)官能团的结构是一个整体,不能将官能团拆开分析,如不能将羧基()拆分为一个酮羰基()和一个羟基(—OH)来分析其化学性质。
2.烃的分类
3.芳香族化合物、芳香烃、苯的同系物
(二)常见有机物的命名
1.烷烃的命名
(1)习惯命名法
(2)系统命名法
2.烯烃和炔烃的命名
【命名示例】
(1)的名称为 。
(2)的名称为 。
(3)的名称为 。
3.苯及其同系物的命名
(1)苯作为母体,其他基团作为取代基。
(2)如果苯分子中的两个氢原子被两个甲基取代后生成二甲苯,其有三种同分异构体,可分别用邻、间、对表示;也可将某个甲基所在的苯环碳原子的位置编为1号,选取最小位次给另一个甲基编号。
【命名示例】
(1)
(2)的系统命名为 。
4.烃的衍生物的命名
【提醒】 卤代烃中卤素原子作为取代基看待。酯的命名是由对应的羧酸与醇(或酚)的名称进行组合,即某酸某酯。聚合物:在单体名称前面加“聚”。
【命名示例】
用系统命名法给下列有机物命名:
(1): 。
(2): 。
(3): 。
(4): 。
(5)CH3COOCH3: 。
(6): 。
一
有机物类别与官能团
1.下列有机化合物:
A. B. C.
D. E.
(1)从官能团的角度看,可以看作醇类的是(填字母,下同) ;可以看作酚类的是 ;可以看作羧酸类的是 ;可以看作酯类的是 。
(2)从碳骨架的角度看,属于链状化合物的是 (填字母,下同);属于脂肪族化合物的是 ;属于芳香族化合物的是 。
2.(1)化合物是一种取代有机氯农药DDT的新型杀虫剂,它含有的含氧官能团为 (写名称),它属于 (填“脂环”或“芳香族”)化合物。
(2)有机物具有的官能团名称是 。
(3)某种解热镇痛药主要化学成分的结构简式为,其分子中含有的官能团分别为
(写名称)。
二
有机物的系统命名
(一)根据结构对有机物命名
3.(1)C2HCl3的化学名称为 。
(2)的化学名称为 。
(3)的化学名称为 。
(4)的化学名称为 。
(5)HOC(CH3)3的系统命名法的名称为 。
(二)根据名称判断结构
4.根据有机物的名称书写结构简式。
(1)4,4-二甲基-2-戊醇: 。
(2)2,4,6-三甲基苯酚: 。
(3)苯乙炔: 。
(4)丙二醛: 。
(1)有机化合物系统命名中常见的错误
①主链选取不当(不包含官能团,不是主链最长、支链最多)。
②编号错(官能团的位次不是最小,取代基位号之和不是最小)。
③支链主次不分(不是先简后繁)。
④忘记使用“-”“,”或用错。
(2)系统命名法中四种“字”的含义
①烯、炔、醛、酮、酸、酯……——指官能团。
②二、三、四……——指相同取代基或官能团的个数。
③1、2、3……——指官能团或取代基的位置。
④甲、乙、丙、丁……——指链上碳原子个数分别为1、2、3、4……
考点二 研究有机化合物的一般方法
1.研究有机化合物的基本步骤
2.分离、提纯
(1)蒸馏和重结晶
适用对象
要求
蒸馏
常用于分离、提纯互溶的液态有机物
①该有机物热稳定性较高
②该有机物与杂质的 相差较大
重结晶
常用于分离、提纯固态有机物
①杂质在所选溶剂中溶解度很小或很大
②被提纯的有机物在此溶剂中溶解度受 的影响较大
(2)萃取
①液-液萃取
利用待分离组分在两种不互溶的溶剂中的溶解度不同,将其从一种溶剂转移到另一种溶剂的过程。
②固-液萃取:用溶剂从固体物质中溶解出待分离组分的过程。
3.确定分子式
(1)元素分析
(2)相对分子质量的测定——质谱法
质荷比(分子离子、碎片离子的相对质量与其电荷数的比值) 值即为该有机化合物的相对分子质量。
4.确定分子结构
(1)红外光谱:主要用于确定化学键和 。
(2)核磁共振氢谱
示例:分子式为C2H6O的有机物A,其核磁共振氢谱图如图,则A的结构简式为 。
(3)X射线衍射
①原理:X射线和晶体中的原子相互作用可以产生衍射图。
②作用:获得分子结构的有关数据,包括键长、键角等分子结构信息。
(4)根据不饱和度(Ω)确定有机化合物的结构
判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)。
(1)碳氢质量比为3∶1的有机物一定是CH4。( )
(2)CH3CH2OH与CH3OCH3互为同分异构体,二者核磁共振氢谱相同。( )
(3)乙醇是良好的有机溶剂,根据“相似相溶”的规律用乙醇从水溶液中萃取有机物。( )
(4)质谱法可以测定有机物的摩尔质量,而红外光谱和核磁共振氢谱图可以确定有机物的官能团类型。( )
(5)有机物的核磁共振氢谱图中有4组吸收峰。( )
(6)有机物的核磁共振氢谱中会出现三组峰,且峰面积之比为3∶4∶1。( )
一
有机物的分离提纯方法
1.常温下,乙酰苯胺是一种具有解热镇痛作用的白色晶体,20 ℃时在乙醇中的溶解度为36.9 g,在水中的溶解度如下表(注:氯化钠可分散在醇中形成胶体)。
温度/ ℃
25
50
80
100
溶解度/g
0.56
0.84
3.5
5.5
某种乙酰苯胺样品中混入了少量氯化钠杂质,下列提纯乙酰苯胺的方法正确的是( )
A.用水溶解后分液
B.用乙醇溶解后过滤
C.用水作溶剂进行重结晶
D.用乙醇作溶剂进行重结晶
2.下列物质分离或提纯的方法不正确的是( )
A.提纯工业乙醇(含甲醇、水等杂质)选择装置③
B.提纯粗苯甲酸选择装置②①
C.提纯粗苯甲酸的三个步骤:加热溶解、趁热过滤、冷却结晶
D.用NaOH除去苯中混有的少量苯酚选择装置④
有机化合物分离提纯方法的选择
二
有机物分子式、结构式的确定
3.扑热息痛是最常用的非抗炎解热镇痛药,对胃无刺激,副作用小。对扑热息痛进行结构表征,测得的相关数据和谱图如下。回答下列问题:
Ⅰ.确定分子式
(1)测定实验式
将15.1 g样品在足量纯氧中充分燃烧,并使其产物依次缓缓通过浓硫酸、碱石灰,发现两者分别增重8.1 g和35.2 g。再将等量的样品通入二氧化碳气流中,在氧化铜/铜的作用下氧化有机物中氮元素,测定生成气体的体积为1.12 L(已换算成标准状况)。其实验式为 。
(2)确定分子式
测得目标化合物的质谱图如下:
其分子式为 。
Ⅱ.推导结构式
(1)扑热息痛的不饱和度为 。
(2)用化学方法推断样品分子中的官能团。
①加入NaHCO3溶液,无明显变化;②加入FeCl3溶液,显紫色;③水解可以得到一种两性化合物。
(3)波谱分析
①测得目标化合物的红外光谱图如下:
该有机化合物分子中存在:、—OH、、。
②目标化合物的核磁共振氢谱图中显示,该有机化合物分子含有五种处于不同化学环境的H原子,其峰面积之比为1∶1∶2∶2∶3。
(4)综上所述,扑热息痛的结构简式为 。
李比希法确定有机物的分子组成
【考题】 (2023·全国乙卷26题)元素分析是有机化合物的表征手段之一。按如图实验装置(部分装置略)对有机化合物进行C、H元素分析。
回答下列问题:
(1)将装有样品的Pt坩埚和CuO放入石英管中, 先 ,
而后将已称重的U形管c、d与石英管连接,检查 。
依次点燃煤气灯 ,进行实验。
(2)O2的作用有 。
CuO的作用是 (举1例,用化学方程式表示)。
(3)c和d中的试剂分别是 、 (填字母)。c和d中的试剂不可调换,理由是 。
A.CaCl2 B.NaCl
C.碱石灰(CaO+NaOH) D.Na2SO3
(4)Pt坩埚中样品CxHyOz反应完全后,应进行操作: 。取下c和d管称重。
(5)若样品CxHyOz为0.023 6 g,实验结束后,c管增重0.010 8 g,d管增重0.035 2 g。质谱测得该有机物的相对分子量为118,其分子式为 。
【教材】 (人教版选择性必修3 第一章 第二节)
确定实验式
元素的定性、定量分析是用化学方法测定有机化合物的元素组成,以及各元素的质量分数。元素定量分析的原理一般是将一定量的有机化合物燃烧,转化为简单的无机物,并通过测定无机物的质量,推算出该有机化合物所含各元素的质量分数,然后计算出该有机化合物分子内各元素原子的最简整数比,确定其实验式(也称最简式)。
有机化合物的元素定量分析最早是由德国化学家李比希(J.von Liebig,1803—1873)提出的。他用CuO作氧化剂,将仅含C、H、O元素的有机化合物氧化,生成的CO2用KOH浓溶液吸收,H2O用无水CaCl2吸收。根据吸收剂在吸收前后的质量差,计算出有机化合物中碳、氢元素的质量分数,剩余的就是氧元素的质量分数,据此计算可以得到有机化合物的实验式。
李比希法元素定量分析实验流程
如图是确定有机物化学式常用的装置,其中管式炉可提供有机物燃烧所需的高温。
(1)装置B中浓硫酸的作用是干燥氧气,防止干扰有机物中氢元素的计量。
(2)装置C中CuO的作用是将可能存在的CO转化为CO2。
(3)装置D中无水氯化钙用于吸收有机物燃烧生成的水,通过称量前后质量差确定有机物燃烧生成水的质量。
(4)装置E中碱石灰用于吸收有机物燃烧生成的CO2 ,通过称量前后质量差确定有机物燃烧生成CO2 的质量。
(5)装置F的作用是防止E吸收空气中的水和二氧化碳,减少实验误差。
实验室用燃烧法测定某种α-氨基酸X (CxHyOzNp)的分子组成。取3.34 g X放在纯氧中充分燃烧,生成CO2、H2O和N2。现用如图所示装置进行实验(铁架台、铁夹、酒精灯等未画出),请回答有关问题:
(1)实验开始时,首先打开止水夹a,关闭止水夹b,通一段时间的纯氧气,这样做的目的是 ;之后则需关闭止水夹a,打开止水夹b。
(2)上述装置中A、D处都需要用酒精灯加热,操作时应先点燃 处的酒精灯。
(3)装置D的作用是 。
(4)实验结果:
①B中浓硫酸增重1.62 g,C中碱石灰增重7.04 g,E中收集到224 mL气体(标准状况)。
②X的相对分子质量为167。
试通过计算确定该有机物X的分子式 。
(5)另取3.34 g X与0.2 mol·L-1 的NaOH溶液反应,最多能中和NaOH溶液200 mL,有机物X的13C-NMR(即核磁共振碳谱,其作用与核磁共振氢谱类似)如图所示。试确定有机物X的结构简式为 。
1.下列叙述错误的是( )
A.(2024·湖北高考)羟基在红外光谱中会出现3 000 cm-1以上的吸收峰
B.(2024·北京高考)由氨基乙酸形成的二肽中存在两个氨基和两个羧基
C.(2024·山东高考)的系统命名:2-甲基苯酚
D.(2024·湖南高考)甲苯的质谱图中,质荷比为92的峰归属于
2.(2024·山东高考7题)我国科学家在青蒿素研究方面为人类健康作出了巨大贡献。在青蒿素研究实验中,下列叙述错误的是( )
A.通过萃取法可获得含青蒿素的提取液
B.通过X射线衍射可测定青蒿素晶体结构
C.通过核磁共振谱可推测青蒿素相对分子质量
D.通过红外光谱可推测青蒿素分子中的官能团
3.(2024·广东高考6题)提纯2.0 g苯甲酸粗品(含少量NaCl和泥沙)的过程如下。其中,操作X为( )
A.加热蒸馏 B.加水稀释
C.冷却结晶 D.萃取分液
4.(2024·浙江6月选考9题)有机物A经元素分析仪测得只含碳、氢、氧3种元素,红外光谱显示A分子中没有醚键,质谱和核磁共振氢谱示意图如下。下列关于A的说法正确的是( )
A.能发生水解反应
B.能与NaHCO3溶液反应生成CO2
C.能与O2反应生成丙酮
D.能与Na反应生成H2
5.按要求填写下列空白。
(1)(2024·吉林高考)有机物G(,Bn为)中含氧官能团的名称为 和 。
(2)(2024·安徽高考)有机物A()、B()中含氧官能团名称分别为 、 。
(3)(2024·江苏高考)有机物A()分子中的含氧官能团名称为醚键和 。
(4)(2024·新课标卷)有机物E()中含氧官能团名称是 。
(5)(2024·全国甲卷)有机物A()中官能团名称为 。
(6)(2024·贵州高考)有机物Ⅱ
()含有的官能团名称是磺酸基、酯基、 、 。
(7)(2024·甘肃高考)化合物Ⅳ
()的含氧官能团名称为 。
(8)(2024·浙江6月选考)化合物F
()的官能团名称是 。
6.按要求给下列有机物命名:
(1)(2024·河北高考)有机物A
()的化学名称为 。
(2)(2024·安徽高考)有机物E()的化学名称为 。
(3)(2024·湖北高考)有机物C()的名称为 。
(4)(2024·江西高考)有机物K()完全水解后得到有机产物的名称是 。
提示:完成课后作业 第十章 第49讲
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第十章 有机化学基础
第49讲 有机化合物的结构特点与研究方法
【考点·全面突破】
考点一
必备知识夯实
(一)
1.碳、氢 2.CH3—CH2—CH3 CH3—CHCH2
CH3—C≡CH 苯环
(二)
2.命名示例
(1)3-甲基-1-戊烯 (2)5,5-二甲基-3-乙基-1-己炔 (3)3-乙基-1,3-戊二烯
3.命名示例
(1)1,3-二甲苯 1,4-二甲苯 (2)1,2,4-三甲苯
4.命名示例
(1)2-甲基-1-丁醇 (2)2,6-二氯甲苯 (3)1,2-丙二醇 (4)对苯二甲酸 (5)乙酸甲酯 (6)苯甲酰胺
关键能力突破
1.(1)BD ABC BCD E (2)E DE ABC
2.(1)羟基、醛基 脂环 (2)氨基、酮羰基、碳溴键、碳氟键
(3)酯基、酰胺基
3.(1)三氯乙烯 (2)3-甲基苯酚(或间甲基苯酚) (3)2-羟基苯甲醛(或邻羟基苯甲醛) (4)1,3-苯二酚(或间苯二酚)
(5)2-甲基-2-丙醇
4.(1) (2) (3) (4)OHCCH2CHO
考点二
必备知识夯实
1.分子式 结构式 2.(1)沸点 温度 3.(1)CO2 H2O 无水CaCl2 氧原子 (2)最大 4.(1)官能团 (2)面积 CH3CH2OH (4)苯环
易错辨析
(1)× (2)× (3)× (4)× (5)√ (6)×
关键能力突破
1.C 氯化钠可分散在醇中形成胶体,不能用过滤的方法分离,不选B;氯化钠在水中的溶解度随温度变化基本不变,根据表中数据,乙酰苯胺在水中的溶解度随温度降低而降低,所以可选用水作溶剂进行重结晶的方法,先用水溶解加热形成乙酰苯胺的热饱和溶液,然后降温结晶让大量的乙酰苯胺晶体析出,选C;20 ℃时乙酰苯胺在乙醇中的溶解度为36.9 g,氯化钠可分散在醇中形成胶体,且二者在乙醇中的溶解度随温度变化未知,不能用乙醇作溶剂进行重结晶的方法提纯乙酰苯胺,不选D。
2.B 乙醇与甲醇、水沸点不同,可用蒸馏法分离,A正确;提纯粗苯甲酸的步骤为加热溶解、趁热过滤、冷却结晶,需要用到加热装置和过滤装置,题图装置①错误,过滤时漏斗下端尖嘴处应紧靠烧杯内壁,B错误,C正确;除去苯中混有的少量苯酚,可向其中加入氢氧化钠溶液后分液,装置④为分液装置,D正确。
3.Ⅰ.(1)C8H9NO2 (2)C8H9NO2
Ⅱ.(1)5 (4)
解析:Ⅰ.(1)由题给信息分析可知,生成n(H2O)==0.45 mol,则n(H)=0.9 mol,生成n(CO2)==0.8 mol,则n(C)=0.8 mol,n(N2)==0.05 mol,n(N)=0.1 mol,m(C)+m(H)+m(N)=0.8 mol×12 g· mol-1+0.9 mol×1 g· mol-1+0.1 mol×14 g· mol-1=11.9 g,故m(O)=3.2 g,n(O)=0.2 mol,n(C)∶n(H)∶n(N)∶n(O)=0.8 mol∶0.9 mol∶0.1 mol∶0.2 mol=8∶9∶1∶2,实验式为C8H9NO2。(2)由质谱图可知,质荷比最大值为151,则扑热息痛的分子式为C8H9NO2。Ⅱ.(1)由分子式可知,扑热息痛的不饱和度为5。(4)用化学方法推断样品分子中的官能团,①加入NaHCO3溶液,无明显变化,说明不含羧基;②加入FeCl3溶液,显紫色,说明含有酚羟基;③水解可以得到一种两性化合物,说明分子中含有酰胺基;再结合(3)中的波谱分析信息,扑热息痛的结构简式为。
教考衔接7 李比希法确定有机物的分子组成
研真题扣教材
【考题】 (1)通入O2排出石英管中的空气 装置的气密性 b、a
(2)排出装置中的空气,氧化有机物,将生成的CO2和H2O赶入c和d装置中被完全吸收 CO+CuOCO2+Cu
(3)A C 碱石灰会同时吸收水和CO2 (4)熄灭a处煤气灯,继续通入一段时间O2,然后熄灭b处煤气灯,待石英管冷却至室温,停止通入O2 (5)C4H6O4
解析:(1)将装有样品的Pt坩埚和CuO放入石英管中后,应先通入O2排出石英管中的空气,再将已称重的U形管c、d与石英管连接,以防止石英管内空气中含有的CO2和水蒸气对实验产生干扰,然后检查装置的气密性。为使有机物被充分氧化,应先点燃b处煤气灯使CuO红热,再点燃a处煤气灯使有机物燃烧。(2)O2可排出装置中的空气,同时作为反应物氧化有机物使其生成CO2和H2O,还可以将生成的CO2和H2O赶入c和d装置中使其被完全吸收。有机物氧化不充分时会生成CO,而CuO可将CO氧化为CO2,从而使有机物中的C元素完全被氧化。(3)应先吸收有机物燃烧产生的水(用CaCl2吸收),再吸收产生的CO2[用碱石灰(CaO+NaOH)吸收]。因碱石灰能同时吸收水和CO2,故不能将c、d中的试剂调换位置。(5)c管增重0.010 8 g,则n(H)=2×=0.001 2 mol;d管增重0.035 2 g,则n(C)==0.000 8 mol;故样品中n(O)==0.000 8 mol,则根据C、H、O原子的物质的量之比可知该有机化合物的实验式为C2H3O2,又因为该有机物的相对分子质量为118,所以其分子式是C4H6O4。
练思维提素能
(1)将装置中的N2排尽 (2)D (3)吸收未反应的O2,保证最终收集到的气体是反应生成的N2 (4)C8H9O3N (5)
解析:(1)装置中的空气中含有N2,影响生成氮气的体积测定,需先通入氧气将装置中的氮气排尽。(2)应先点燃D处的酒精灯吸收未反应的氧气,保证最后收集的气体为纯净的氮气。(3)气体进入装置E之前应该先将氧气除去,所以铜网的作用是吸收未反应的O2,保证最终收集到的气体是反应生成的N2。(4)B中浓硫酸增重1.62 g,为生成的水的质量,则水的物质的量为0.09 mol,氢原子的物质的量为0.18 mol,氢元素的质量为0.18 g;C中碱石灰增重7.04 g,为生成的二氧化碳的质量,则二氧化碳的物质的量为0.16 mol,碳原子的物质的量为0.16 mol,碳元素的质量为1.92 g,E中收集到224 mL气体(标准状况),为氮气,物质的量为0.01 mol,氮原子的物质的量为0.02 mol,氮元素的质量为0.28 g;则氨基酸中氧元素的质量为3.34 g-0.18 g-1.92 g-0.28 g=0.96 g,氧原子的物质的量为0.06 mol;则该有机物的最简式为C8H9O3N,相对分子质量为167,则该有机物的分子式为C8H9O3N。(5)3.34 g X的物质的量为0.02 mol,与0.2 mol·L-1 的NaOH溶液反应,最多能中和NaOH溶液200 mL,即消耗0.04 mol NaOH,则该有机物中含有1个羧基、1个酚羟基,根据有机物X的13C-NMR确定该有机物中含有6种碳原子,则苯环上含有两个取代基,且位于对位,则有机物X的结构简式为。
【真题·体验品悟】
1.B O—H在红外光谱中会出现3 000 cm-1以上的吸收峰,A项正确;氨基乙酸的结构简式为,由氨基乙酸形成二肽的结构简式为,该二肽中含1个氨基、1个羧基和1个肽键,B项错误;带1个单位正电荷,其相对质量为92,因此其质荷比为92,D项正确。
2.C 通过核磁共振谱不能测定青蒿素的相对分子质量,要测定青蒿素的相对分子质量应该用质谱法。
3.C 苯甲酸粗品加水加热溶解得到浊液,趁热过滤可除去难溶的泥沙,得到的滤液中含有苯甲酸和NaCl,冷却结晶可析出苯甲酸,故操作X为冷却结晶,C项正确。
4.D 由质谱图可知,有机物A的相对分子质量为60,A只含C、H、O三种元素,因此A的分子式为C3H8O或C2H4O2,由核磁共振氢谱可知,A有4种等效氢,个数比等于峰面积之比,为3∶2∶2∶1,因此A为CH3CH2CH2OH。A为CH3CH2CH2OH,不能发生水解反应,A错误;A中官能团为羟基,不能与NaHCO3溶液反应生成CO2,B错误;CH3CH2CH2OH的羟基位于末端C上,与O2反应生成丙醛,不能生成丙酮,C错误;CH3CH2CH2OH中含有羟基,能与Na反应生成H2,D正确。
5.(1)羧基 (酚)羟基 (2)羟基 醛基 (3)酮羰基 (4)酯基 (5)硝基 (6)醚键 酰胺基 (7)醚键、酚羟基、醛基
(8)羧基、碳氯键
6.(1)丙烯酸 (2)邻二甲苯(或1,2-二甲苯)
(3)甲基丙烯腈(2-甲基丙烯腈或α-甲基丙烯腈)
(4)2-甲基苯甲酸(或邻甲基苯甲酸)
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