1.2 科学家怎样研究有机物 第2课时（教学课件）化学苏教版选择性必修3

该高中化学课件聚焦有机化合物组成、结构及反应机理的研究，以吗啡150年研究史导入，串联天然物提取提纯、元素分析（燃烧法、李比希法）、分子式确定（质谱法）、结构表征（红外、核磁共振）及反应机理（自由基、同位素示踪）的完整研究脉络，搭建递进式学习支架。 其亮点在于融合科学史与现代技术，通过李比希实验室重现、青蒿素结构测定等案例，以探究活动（如燃烧产物分析）和问题驱动（如乙醇与二甲醚结构辨析）培养科学思维与探究能力。学生可系统掌握研究方法，教师能依托典型范例与实验设计提升教学效率。

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 苏教版选择性必修3 第2课时 有机化合物组成和 结构的研究 罂粟花 罂粟子 鸦片 吗啡提取与结构发现史 赛尔杜纳 1805年 制得纯品 确定结构式 测定分子式 全流程合成 1923年 1952年 1847年 李比希 罗宾逊Robinson 盖兹Gates 前后大约用了150年！ 吗啡 引·新课导入 天然物中提取 人工合成 有机物 测定有机物分子结构有哪些步骤？ (有杂质) 蒸馏 萃取 重结晶 李比希—— 元素定性、定量分析 质谱法 波谱分析 IR、NMR、XRD 分离、提纯 确定分子式 确定分子结构 引·新课导入 2 有机化合物组成的研究 1 知识导航 有机化学反应的研究 3 有机化合物结构的研究 知识导航 明·学习目标 3. 知道研究反应机理的常用手段，了解甲烷卤代反应、酯化反应、酯水解反应的机理。 1. 知道元素检测方法，能根据有关信息求有机物的最简式、分子式。 2. 能结合实例说明有机分子结构测定常用的仪器分析方法，能运用现代分析技术对简单有机物的结构进行分析和表征。 01 有机化合物 组成的研究 有机化合物组成的研究 在日常生活中，我们经常见到有机物燃烧。有机物燃烧的产物能给我们提供哪些有机物组成方面的信息？ 有机物 燃烧 CO2 H2O 澄清石灰水 变浑浊 含碳元素 无水硫酸铜 变蓝色 含氢元素 有机物是否含有氧元素？如何确定？ 探·知识奥秘 ~ 7 有机化合物组成的研究 1 元素 确定 燃烧法 确定 C、H、O 探·知识奥秘 ~ 8 有机化合物组成的研究 探·知识奥秘 ~ 9 有机化合物组成的研究 1 2 元素 确定 燃烧法 确定 C、H、O 钠熔法 确定 N、Cl、Br、S 卤素还可以如何检验？ 探·知识奥秘 ~ 10 有机化合物组成的研究 操作：将纯铜丝加热至红热状态后蘸取被测有机物试样灼烧，若火焰呈现绿色则表明存在卤素。 原理：在800℃以上高温环境中，红热铜丝表面氧化生成CuO。当接触含卤素的有机物时，卤素与铜反应生成卤化铜（如CuCl）。这类化合物具有低沸点特性，在火焰中迅速气化分解为游离态铜原子。气态铜原子受热激发后跃迁至高能态，回迁低能态时辐射出波长为524.8nm的绿光，形成特征绿色火焰。无卤素存在时，铜主要生成高熔点CuO，无法产生显著焰色。 铜丝燃烧法 用于定性检测有机物中是否含有卤素的实验方法 探·知识奥秘 ~ 11 有机化合物组成的研究 1 2 3 元素 确定 燃烧法 确定 C、H、O 钠熔法 确定 N、Cl、Br、S 铜丝燃烧法 确定 Cl、Br、I 探·知识奥秘 ~ 12 有机化合物组成的研究 有机化学之父 最重要的贡献在于农业和生物化学，他创立了有机化学 肥料工业之父 发现了氮对于植物营养的重要性 历史上最伟大的化学教育家之一 发明了现代面向实验室的教学方法，这是一创新 科学家简介 最早获得诺贝尔化学奖的60人里，有42位是他的学生或他的学生的学生 诺贝尔化学奖的祖师爷 探·知识奥秘 有机化合物组成的研究 吗啡 吗啡分子式 李比希是如何确定分子式？ C17H19NO3 探·知识奥秘 有机化合物组成的研究 最简式 分子式 分子式确定 探·知识奥秘 ~ 15 有机化合物组成的研究 资料在线 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。 通过什么方法确定最简式？ 探·知识奥秘 ~ 16 吉森大学李比希的实验室 吉森李比希博物馆中的老实验室一角 有机化合物组成的研究 探·知识奥秘 有机化合物组成的研究 李比希法设备图 1830 年，李比希在前人工作的基础上，把碳氢分析发展成为精确的定量分析技术 探·知识奥秘 有机化合物组成的研究 一定量有机物 [含C、H(O)] 氧化 CO2 H2O 反应 前后 装置 质量差 吸收 CuO 高氯酸镁 吸收 碱石灰 计算 C、H 元素 质量 依据总质量减去C、H元素质量，确定是否含有O元素 计算 C、H、O 原子个数比，确定 实验式 资料在线 探·知识奥秘 ~ 20 有机化合物组成的研究 分子式确定 最简式 元素含量 李比希法 据燃烧产物质量→元素质量分数 现在 人们常借助元素分析仪 来确定有机化合物的组成 探·知识奥秘 ~ 21 有机化合物组成的研究 探·知识奥秘 有机化合物组成的研究 元素分析仪 工作原理：是在不断通入氧气流的条件下，把样品加热到950～1 200 ℃，使之充分燃烧，再对燃烧产物进行自动分析。 优点：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。 元素分析仪与计算机连接，可进行数据的存储和统计分析，并可根据要求生成各种形式的分析报告。 探·知识奥秘 ~ 23 有机化合物组成的研究 分子式确定 最简式 元素含量 李比希法 据燃烧产物质量→元素质量分数 现代元素分析法 可以直接测出有机化合物中各元素的质量分数 （精准度高，分析快） 探·知识奥秘 ~ 24 有机化合物组成的研究 经测定，吗啡分子中各元素的质量分数是：碳71.58%，氢6.67%，氮4.91%，其余为氧，则吗啡的实验式为____________。 依据：原子的物质的量比等于个数比。 n(C)∶ n(H)∶n(N)∶ n(O) 17 ∶ 19 ∶ 1 ∶ 3 w(O)＝100%-71.58%-6.67%-4.91%＝16.84% ＝ 71.58% 6.67% 4.91% 16.84% 12 1 14 16 0.0597 ＝ ∶ 0.0667 0.00351 0.0105 ∶ ∶ ∶ ∶ ∶ ＝ 吗啡的实验式为C17H19NO3 答 解 探·知识奥秘 有机化合物组成的研究 分子式确定 最简式 元素含量 李比希法 据燃烧产物质量→元素质量分数 现代元素分析法 可以直接测出有机化合物中各元素的质量分数 确定 最简式 据元素质量分数→定个数比→定实验式 探·知识奥秘 ~ 26 有机化合物组成的研究 吗啡的实验式为C17H19NO3 交流讨论 如要确定吗啡的分子式，还需要什么数据？ 探·知识奥秘 有机化合物组成的研究 有机化合物分子式的确定 分子式：用元素符号表示物质分子组成的式子，可反映出一个分子中原子的种类和数目。 【思考】请观察乙烯的分子式与实验式，归纳总结分子式与实验式的关系。 1．有机化合物分子式与实验式的关系： 2．有机化合物分子式相对分子质量与实验式式量的关系： 分子式＝(实验式)n（n为倍数） 分子式相对分子质量＝n×实验式相对分子质量 有机物 分子式 实验式 乙烯 组成 相对分子质量 组成 相对分子质量 C2H4 28 CH2 14 探·知识奥秘 有机化合物组成的研究 吗啡的实验式为C17H19NO3 交流讨论 如要确定吗啡的分子式，还需要什么数据？ 元素定量分析 各组成原子的 最简单整数比 实验式 分子式 相对分子质量 探·知识奥秘 有机化合物组成的研究 相对分子质量测定方法 1．端基分析法。通过化学分析的方法测特定的端基含量从而推导出分子量，前提是必须对高分子结构有充分的了解，它还可以用于支链数目的测定。使用这种方法分子量不一般不能太大。 　　2．沸点升高和冰点降低。这是利用稀溶液的依数性测定溶质分子量的方法，是经典的物理化学方法。溶剂中加入不挥发性的溶质后，溶液的蒸气压下降，导致溶液的沸点比纯溶剂的高，溶液的冰点比溶剂的低。这种方法没用过，对温差的测量精度要求很高。 　　3．膜渗透压。用半透膜通过渗透压测定的方法，也应该是一种物理化学方法。 　　4．气相渗透法(VPO)。利用纯溶剂与加入溶质的溶液饱和蒸气压不同来测定分子量。测出的是数均分子量。 　　5．光散射/小角激光光散射(LALLS)。这两个方法只是仪器，数据处理和所用光源等方面有差异，原理差不多的的。这种方法比较常用，而且仪器现在也发展到了一定水平，是测试高分子绝对分子量最有效的方法。 　　6．超速离心沉降。很复杂，最先用于蛋白质分子的测量。是一种相对方法。 　　7．凝胶色谱法(GPC)。很常用，根据不同大小的分子在介质中的停留时间不同来测量分子量。是一种相对方法，须结合其它方法的配合。 　　8．粘度法。利用玻璃粘度计(乌式粘度计，奥式粘度计)增比粘度，然后外推特性粘数，根据Mark-Houwink方程算出分子量，是最经济的方法吧，而且重新度很好。水溶性高分子一般都用这种方法测量分子量，也是一种相对方法。 质谱法是最精确、最快捷的方法 测定相对分子质量的方法很多 质谱仪 探·知识奥秘 有机物中碳原子的成键特点 探·知识奥秘 质谱仪工作原理示意图 相对分子质量的测定——质谱法 有机物分子 确定相对分子质量 离子的 高能电子束 带正电荷的离子 磁场作用下先后 质谱图 （快速、精确） 质谱图 轰击 到达检测仪 质荷比 质谱仪 有机化合物组成的研究 探·知识奥秘 有机化合物组成的研究 分子式确定 最简式 元素含量 李比希法 据燃烧产物质量→元素质量分数 现代元素分析法 可以直接测出有机化合物中各元素的质量分数 确定 最简式 据元素质量分数→定个数比→定实验式 分子式 相对分子质量 质谱法 原理 高能电子束 碎片的 轰击 质荷比 有机 分子 带电的“碎片” 确定 相对分子质量 质谱图中质荷比最大值为该有机物的相对分子质量 质荷比：分子离子、碎片离子的相对质量与其电荷的比值 探·知识奥秘 ~ 33 有机化合物组成的研究 31 100 80 60 40 20 0 20 30 40 50 27 29 45 46 CH3CH2 + CH2=OH + CH3CH=OH + CH3CH2OH + 质荷比 相对丰度/% 某有机物的质谱图 最大离子的质荷比越大，达到检测器需要的时间越长，因此谱图中的质荷比最大的就是未知物的相对分子质量。 读图技巧： 看最大的质荷比 探·知识奥秘 有机化合物组成的研究 B的相对分子质量 下图是某有机化合物B的质谱图，请问其相对分子质量为多少？ 探·知识奥秘 有机化合物组成的研究 设吗啡分子中只有一个N原子，则相对分子质量为 4.91% 14 285 ＝ 经测定，吗啡分子中各元素的质量分数是：碳71.58%，氢6.67%，氮4.91%，其余为氧，已知其分子量不超过300。则吗啡的相对分子质量为________。 探·知识奥秘 有机化合物组成的研究 吗啡的实验式为C17H19NO3 经测定，吗啡分子中各元素的质量分数是：碳71.58%，氢6.67%，氮4.91%，其余为氧，相对分子质量为285，求吗啡的分子式。 吗啡的相对分子质量为285 设吗啡的分子式为(C17H19NO3)n 285×n＝285 n＝1 吗啡的分子式为C17H19NO3 探·知识奥秘 有机化合物组成的研究 分子式确定 最简式 元素含量 李比希法 据燃烧产物质量→元素质量分数 现代元素分析法 可以直接测出有机化合物中各元素的质量分数 确定 最简式 据元素质量分数→定个数比→定实验式 分子式 相对分子质量 质谱法 质谱图中质荷比最大值为该有机物的相对分子质量 质荷比：分子离子、碎片离子的相对质量与其电荷的比值 确定分子式 设分子式为：(实验式)n 分子式相对分子质量＝n×实验式相对分子质量 探·知识奥秘 ~ 38 1. 某有机物在氧气中完全燃烧，生成水蒸气和二氧化碳的物质的量之比为1 ∶ 1，由此可以得出的结论正确的是 A. 该有机物分子中C、H、O的原子个数比为1 ∶ 2 ∶ 3 B. 分子中C、H的原子个数比为1 ∶ 2 C. 该有机物一定含有氧元素 D. 该有机物一定不含氧元素 析·典型范例 2. 某有机化合物相对分子质量为90。取该有机物样品3.6 g在纯氧中充分燃烧得到2种产物，将产物先后通过过量浓硫酸和碱石灰，两者分别增重2.16 g和5.28 g，则该有机物的分子式为 A. CH2O B. C3H6O3 C. C3H6O2 D. C3H8O3 析·典型范例 有机化合物组成的研究 3. 现取某有机物9.2 g在足量的氧气中完全燃烧，将燃烧后的产物依次通入足量的浓硫酸和氢氧化钠溶液，测得浓硫酸增重10.8 g ，氢氧化钠溶液增重17.6 g ，求该有机物的最简式。 有机物 H2O CO2 9.2 g 10.8 g 17.6 g n(H)＝(10.8 g÷18g/mol)×2＝1.2 mol n(C)＝(17.6 g÷44g/mol)×1＝0.4 mol n(C):n(H)＝0.4 mol:1.2 mol＝1 : 3 有机物的最简式: CH3 探·知识奥秘 有机化合物组成的研究 现取某有机物9.2 g在足量的氧气中完全燃烧，将燃烧后的产物依次通入足量的浓硫酸和氢氧化钠溶液，测得浓硫酸增重10.8 g ，氢氧化钠溶液增重17.6 g ，求该有机物的最简式。 n(H)＝(10.8 g÷18 g/mol)×2＝1.2 mol n(C)＝(17.6 g÷44 g/mol)×1＝0.4 mol n(C):n(H):n(O)＝0.4 mol : 1.2 mol : 0.2 mol＝2 : 6 : 1 有机物的最简式: C2H6O m(H)＋m(C)＝1.2 g＋0.4 mol×12＝6 g ＜9.2 g n(O)＝(9.2 g－6 g)÷16 g/mol ＝0.2 mol 探·知识奥秘 有机化合物组成的研究 根据质谱图，确定该有机物的分子式。 由图知其相对分子质量为46，故分子式就是最简式，即分子式为C2H6O。 有机物的最简式： C2H6O，其相对分子质量为46 相对分子质量 探·知识奥秘 02 有机化合物 结构的研究 有机化合物结构的研究 甲醇 乙醛 甲苯 乙酸 乙烯 在有机化合物分子中，原子主要通过共价键结合在一起。 分子中的原子之间可能存在多种结合方式或连接顺序，原子之间结合方式或连接顺序的不同导致了所形成的物质在性质上的差异。 有时结构上的细微变化会导致性质的巨大差异，甚至截然不同。 探·知识奥秘 有机化合物结构的研究 资料在线 1832年，李比希和韦勒发表了论文《关于安息香酸的研究》，在文中，他们提出了基团理论。所谓基团理论，是李比希研究苦杏仁油安息香酸、安息香酰氯、安息酰氨等一系列化合物时，发现这些化合物中存在一个共同的基——安息香基。他由此得出结论：有机化合物是由基组成的，这种基是稳定的基，它构成有机化学物的基础。李比希关于有机基的科学定义是对有机化学理论基础的卓越贡献。这是有机化学研究系统分类的重要尝试，它和人工合成尿素一起成为有机化学大发展的先导，为有机化学的发展铺平了道路。 基团理论 基团理论是有机物结构的第一理论，甚至有机化学也被称作“基的化学”。它加深了对有机物的理解，加快了有机化学的体系化，填平了无机、有机化学间的鸿沟。在此之后，关于有机物内部结构更深入的类型理论、结构理论等相继问世。 探·知识奥秘 有机化合物结构的研究 基团理论 基 定义 有机化学中的“基”是一系列化合物中不变的部分 “基”在化合物中可被某种元素的单个原子所替代 替代“基”的基团，可以被其他基团所取代 缺陷 如“基”并非一成不变等 意义 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 探·知识奥秘 确定结构式 测定分子式 1923年 1847年 李比希 罗宾逊Robinson 前 后 用 了 76 年 ！ 有机化合物结构的研究 吗啡结构测定 1847年德国化学家李比希（Liebig）推导出其分子式为C17H19NO3。 Wright通过双乙酰化实验确证了吗啡的两个自由羟基的存在，Grimaux发现其中一个羟基非常容易发生甲基化，从而推断可能是酚羟基。可待因氧化为可待酮的实验证实了另外一个为醇羟基，剩下的不活泼的氧必定为为醚键。氢化实验证实了双键的存在。Von Braun降解（NMe—NCN）以及Hoffman降解意味着环状三级胺的存在，连续的霍夫曼降解可以得到三甲基胺、乙烯和芳环骨架，在锌粉中蒸馏吗啡可以得到氧化的菲环骨架。 1925年，罗宾逊（RobinSon）首次正式确定其结构式。 实验测定过程 探·知识奥秘 有机化合物结构的研究 实验法确定有机化合物分子结构 实验→有机物的性质→官能团→确定结构简式。 实验测得的往往不是完整的有机物，这就需要我们根据有机物的结构规律如价键规律、性质和量的规律等来对其进行“组装”和“拼凑”。 　如测得1 mol某醇与足量钠反应可得到1 mol气体，则可说明1个该醇分子中含2个—OH。 1．通过定性实验确定 2．根据实验测定的有机物的结构片段“组装”有机物 3．通过定量实验确定官能团的数目 如能使溴的四氯化碳溶液褪色的有机物分子中可能含有双键或三键。 现代化学测定有机化合物结构 的分析方法有哪些？ 探·知识奥秘 有机化合物结构的研究 探·知识奥秘 有机化合物结构的研究 请写出分子式为C2H6O有机物的可能结构式。 问题探究 如何确定是哪种有机物？ 实验 其他方法 探·知识奥秘 有机化合物结构的研究 两有机物中H原子的环境是一样的吗？ 思考﹒ 讨论 探·知识奥秘 有机化合物结构的研究 　　CH3CH2OH、CH3—O—CH3，除了氧原子的位置、连接方式不同外，碳原子、氢原子的连接方式也不同、所处的化学环境不同，即等效碳、等效氢的种数不同。 两有机物中不同类型的H原子分别有几种？ 如何测定氢原子的类型？ 探·知识奥秘 有机化合物结构的研究 分子光谱 资料在线 分子从一种能级改变到另一种能级时吸收或发射的光谱称为分子光谱。分子中的键长、键角、电荷分布等结构特征都会影响分子光谱。 核磁共振氢谱 红外光谱 X射线衍射法 探·知识奥秘 有机化合物结构的研究 简易核磁共振仪的结构示意图 核磁共振仪 核磁共振氢谱 氢原子核所处的化学环境 (即其附近的基团)不同 表现出的核磁性不同 具有不同的化学位移(符号δ) 且吸收峰的面积与H原子数成正比 代表核磁性特征的峰在核磁共振谱图中横坐标的位置不同 资料在线 探·知识奥秘 有机化合物结构的研究 确定分子结构 核磁共掁氢谱 （1H—NMR） 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，在谱图上出现的位置也不同，且吸收峰的面积与氢原子数成正比 应用 测定有机物中H原子的种类和 相对数目 吸收峰数目 吸收峰面积之比 探·知识奥秘 有机化合物结构的研究 CH3CH2OH的核共振氢谱 1 2 3 CH3OCH3的核共振氢谱 探·知识奥秘 有机化合物结构的研究 孙先辉 PPT 下列有机物中有几种H原子以及个数之比？ 2种 9∶ 1 1种 4种 3 ∶2 ∶ 1 ∶6 4种 3 ∶2 ∶2 ∶1 探·知识奥秘 有机化合物结构的研究 孙先辉 PPT 两有机物中的化学键、官能团能否通过仪器测定？ 红外光谱仪 探·知识奥秘 孙先辉 有机化合物结构的研究 孙先辉 PPT 简易红外光谱仪的结构示意图 判断有机化合物中所含的 化学键或官能团 红外光谱图 红外光谱 有机物受到红外线照射时 能吸收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 可获得分子中含有的化学键或官能团的信息 探·知识奥秘 有机化合物结构的研究 确定分子结构 核磁共掁氢谱 （1H—NMR） 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，在谱图上出现的位置也不同，且吸收峰的面积与氢原子数成正比 应用 测定有机物中H原子的种类和 相对数目 吸收峰数目 吸收峰面积之比 红外光谱 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 应用 获得分子中含有何种化学键或官能团 探·知识奥秘 有机化合物结构的研究 孙先辉 PPT 看吸收峰波谷上标出的化学键或官能团 下图是黄酒中有机化合物A(C2H6O)的红外光谱图，请推测A的分子结构。 读图技巧： 含有：C—H C—O—C 含有：C—H C—C C—O O—H 有机化合物A为乙醇 ? 探·知识奥秘 有机化合物结构的研究 孙先辉 PPT 有机化合物X的分子式为C4H8O2，其红外光谱如下图所示，则该有机化合物可能的结构为 (双选，填字母)。 A．CH3COOCH2CH3 B．CH3CH2COOCH3 C．HCOCH2CH2CH3 D．(CH3)2CHCOOH 图中信息： 含不对称—CH3 C＝O C－O－C 含1个—CH3 没有C－O－C 含对称—CH3 没有C－O－C ①不对称—CH3 ②C＝O ③C－O－C A B 探·知识奥秘 有机化合物结构的研究 孙先辉 PPT 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。 青蒿素的提取及元素和分子结构的确定 探·知识奥秘 有机化合物结构的研究 孙先辉 PPT X射线衍射 资料在线 探·知识奥秘 有机化合物结构的研究 孙先辉 PPT 原理 X射线是一种波长很短的电磁波，它和晶体中的原子相互作用可以产生衍射图 应用 经过计算可以从中获得分子结构的有关数据—— 键长、键角等分子结构信息。 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 X射线衍射 探·知识奥秘 1. 下列物质的核磁共振氢谱图中，有5个吸收峰的是 A. B. C. D. 析·典型范例 2. 下图是某有机质的核磁共振氢谱图，则该有机物可能是 A. CH3CH2OH B. CH3CH2CH2OH C. CH3-O-CH3 D. CH3CHO 析·典型范例 3. 图1和图2是A、B两种物质的核磁共振氢谱。已知A、B两种物质都是烃类，都含有6个氢原子。请根据图1和图2两种物质的核磁共振氢谱谱图选择出可能属于图1和图2的两种物质是 A．A是C3H6 ；B是C6H6 B．A是C2H6 ；B是C3H6 C．A是C2H6 ；B是C6H6 D．A是C3H6；B是C2H6 析·典型范例 03 有机化学 反应的研究 有机化学反应的研究 设计并合成新的有机化合物是有机化学的重要研究内容。通过有机化学反应，科学家们已经成功合成大量具有特殊功能的有机化合物。 在已颁发的90多项诺贝尔化学奖中，有40多项获奖项目的研究内容涉及有机化合物的合成和有机化学反应。 探·知识奥秘 有机化学反应的研究 涉及有机化合物的合成和有机化学反应的研究的诺贝尔化学奖 时间 获奖者 贡献 1902年 Hermann Emil Fischer 糖类与嘌呤（purine）研究及合成 1905年 Adolf von Baeyer 有机染料（如靛蓝、茜素）和芳香族化合物的研究 1912年 Victor Grignard 发现 Grignard试剂（RMgX） 及 Grignard反应 1950年 Otto Diels & Kurt Alder 发现 Diels-Alder反应（[4+2]环加成） 1963年 Karl Ziegler & Giulio Natta 开发 Ziegler-Natta催化剂（TiCl₄/AlR₃） 1965年 Robert B. Woodward 复杂天然产物全合成（如胆固醇、叶绿素、维生素B₁₂） 探·知识奥秘 有机化学反应的研究 涉及有机化合物的合成和有机化学反应的研究的诺贝尔化学奖 时间 获奖者 贡献 1973年 Ernst Fischer & Geoffrey Wilkinson 金属有机化学 （二茂铁等夹心化合物研究） 1979年 Georg Wittig&H. C. Brown 发展 Wittig反应 （磷叶立德与羰基化合物生成烯烃） 1984年 Bruce Merrifield 发明 固相多肽合成法 1990年 E.J. Corey 提出 逆合成分析法（Retrosynthetic Analysis） 2001年 Knowles, Noyori & Sharpless 不对称催化反应（氢化与氧化） 2005年 Chauvin, Grubbs & Schrock 烯烃复分解反应 探·知识奥秘 有机化学反应的研究 涉及有机化合物的合成和有机化学反应的研究的诺贝尔化学奖 时间 获奖者 贡献 2010年 Heck, Negishi & Suzuki 钯催化交叉偶联反应 2016年 Sauvage, Stoddart & Feringa 分子机器的设计与合成（有机超分子化学） 2021年 List & MacMillan 不对称有机催化（Organocatalysis） 2022年 Bertozzi, Meldal & Sharpless 点击化学与生物正交化学 2025年 Susumu Kitagawa, Richard Robson&Omar M. Yaghi) 共价有机框架（COFs）合成 探·知识奥秘 有机化学反应的研究 有机化学反应需要什么条件、受哪些因素的影响、反应机理（reaction mechanism）如何等，这些都是科学家们研究的课题。 研究有机反应，能够帮助我们更好地应用有机化合物，使有机化合物更好地造福人类。 探·知识奥秘 有机化学反应的研究 资料在线 反 应 机 理 又称反应历程，指反应物转变为生成物所经历的过程。 有机化学的反应机理揭示了反应中化学键因基团的相互作用而发生断裂形成新化学键。 有机化学反应按照反应机理分为哪些类型呢？ 探·知识奥秘 有机化学反应的研究 为什么甲烷和氯气混合后，在光照条件下会发生一系列的反应？ 温故知新 CH4＋Cl2 　 CH3Cl＋HCl 光照 CH3Cl ＋Cl2 　 CH2Cl2＋HCl 光照 CH2Cl2 ＋Cl2 　 CHCl3＋HCl 光照 CHCl3＋Cl2 　 CCl4＋HCl 光照 探·知识奥秘 有机化学反应的研究 甲烷氯代反应机理的研究 化合物分子在光或热等条件下，共价键发生断裂，形成具有很强反应活性的单电子原子或基团，它们可与其他反应物分子作用，生成新的游离基，引发链式反应。 探·知识奥秘 有机化学反应的研究 探·知识奥秘 甲烷与氯气的反应机理 链引发： Cl2 　 光照 Cl·＋Cl· 链传递： CH4 ＋Cl· ·CH3 ＋HCl ·CH3 ＋Cl2 CH3Cl ＋Cl· Cl· ＋CH3Cl ·CH2Cl ＋HCl ·CH2Cl ＋Cl2 CH2Cl2 ＋Cl· 链终止： Cl· ＋·CH3 CH3Cl Cl· ＋·Cl Cl2 　 ·CH3 ＋·CH3 CH3CH3 …… 自由基型链反应 探·知识奥秘 有机化学反应的研究 有机反应类型 均裂 自由基型链反应 A : B 光照或引发 A•＋B• 探·知识奥秘 有机化学反应的研究 1. 将氯气先用光照，在黑暗中放置一段时间后，再与甲烷混合，不能生成甲烷氯代产物。 在黑暗中放置一段时间后，氯气经光照而产生的氯自由基已销毁。此时再将氯气与甲烷混合，没有自由基引发反应，不能生成甲烷氯代产物。 2. 将氯气先用光照，立即在黑暗中与甲烷混合，生成甲烷的氯代产物。 氯气经光照后可产生自由基，立即在黑暗中与甲烷混合，氯自由基来不及销毁，可引发反应，生成甲烷的氯代产物。 3. 甲烷用光照射后，立即在黑暗中与氯气混合，不能生成甲烷氯代产物。 甲烷分子中C－H键较强，不会在光照下发生均裂产生自由基。 探·知识奥秘 有机化学反应的研究 人们很早就发现了一种能引发乙烯分子间相互聚合的催化剂，该催化剂可形成含有一个未成对电子的自由基R·。你认为反应过程中R·可能引发哪些的自由基？最终又是怎样形成聚乙烯的？ 链引发： CH2＝CH2 ＋R· RCH2－CH2· 链传递： ＋CH2＝CH2 R(CH2－CH2)2· RCH2－CH2· ＋CH2＝CH2 R(CH2－CH2)3· R(CH2－CH2)2· ＋CH2＝CH2 R(CH2－CH2)n· R(CH2－CH2)(n－1)· ＋R· R(CH2－CH2) n· (CH2－CH2)n ＋R· R(CH2－CH2)n· R(CH2－CH2)n R 链终止： 探·知识奥秘 有机化学反应的研究 催化剂 CH2＝CH2＋HBr CH3CH2Br 人们利用质谱仪检测出该反应过程中产生了中间体——乙基碳正离子( ) ，推断该反应机理。 资料在线 HBr ＋Br－ H＋ CH2＝CH2 ＋H＋ ＋Br－ CH3CH2Br 探·知识奥秘 有机化学反应的研究 有机反应类型 均裂 自由基型链反应 A : B 光照或引发 A•＋B• 异裂 离子型反应 A : B 极性溶剂等 转移到A ＋ B ＋ A－ 转移到B ＋ B－ A＋ 探·知识奥秘 有机化学反应的研究 自由基型反应 离子型反应 共同点 都经历类似过程：反应物——中间体——产物 区别 如果化学键断裂是采取均裂的方式进行，有自由基中间体存在，则反应属于自由基反应 如果化学键的断裂采取的是异裂的方式进行，有离子型中间体的存在，则属于离子型反应 探·知识奥秘 有机化学反应的研究 烯烃的加成反应是很典型的一类有机化学反应，在有机化工生产中应用非常广泛。 有人在做CH3CH=CH2 和 HBr发生加成反应的实验时，发现生成物中有CH3CHBrCH3和CH3CH2CH2Br两种同分异构体。请你解释两种产物时怎样形成的？ 反应机理1 HBr ＋Br－ H＋ CH3CH＝CH2 ＋H＋ ＋Br－ CH3CH2CH2Br 探·知识奥秘 有机化学反应的研究 烯烃的加成反应是很典型的一类有机化学反应，在有机化工生产中应用非常广泛。 有人在做CH3CH=CH2 和 HBr发生加成反应的实验时，发现生成物中有CH3CHBrCH3和CH3CH2CH2Br两种同分异构体。请你解释两种产物时怎样形成的？ 反应机理2 HBr ＋Br－ H＋ CH3CH＝CH2 ＋H＋ ＋Br－ CH3CHBrCH3 探·知识奥秘 有机化学反应的研究 诺贝尔化学奖与同位素示踪法 1911年E·卢瑟福教授的指导下研究镭的化学分离，为他日后研究放射性同位素作示踪物打下了基础。1934年在制备一种磷的放射性同位素之后，进行磷在身体内的示踪，以研究各生理过程，这项研究揭示了身体成分的动态。 1943年，他研究同位素示踪技术，推进了对生命过程的化学本质的理解而获得了诺贝尔化学奖。 同位素示踪法：通过标记有机物特定的原子，帮助了解有机反应过程中断键和成键的情况，以达到研究有机物反应机理的目的。 海维西 匈牙利化学家 探·知识奥秘 有机化学反应的研究 有机反应类型 均裂 自由基型链反应 A : B 光照或引发 A•＋B• 异裂 离子型反应 A : B 极性溶剂等 转移到A ＋ B ＋ A－ 转移到B ＋ B－ A＋ 同位素示踪 同位素示踪法 探·知识奥秘 有机化学反应的研究 科学家们在研究反应机理时，通常需要借助于仪器这个强有力的分析手段。如质谱仪、核磁共振、核探测器、气相层析仪等。 同位素示踪法是科学家常用的研究化学反应历程的手段之一。 将乙酸乙酯与H218O混合后，加入硫酸作催化剂，乙酸乙 酯在加热条件下将发生水解反应。下面是该反应的化学方程式： ＋H218O ＋CH3－CH2－OH 探·知识奥秘 有机化学反应的研究 　　1．根据产物中18O的分布情况，你能判断出乙酸乙酯在发生水解时分子中的哪个共价键发生了断裂？ 问题探究 ＋H218O ＋CH3－CH2－OH 2．请你说说同位素示踪法研究化学反应时运用了同位素的哪些性质？ 放射性、稳定性 3．你知道同位素示踪法可用于研究其它化学反应吗？ 研究铅盐在豆科植物内的分布和转移 探·知识奥秘 1. 已知CH4与Cl2反应的产物中除CH3Cl外，还有CH2Cl2、CHCl3、CCl4，下列有关生成CH2Cl2的过程中，不可能出现的是 A． B． C． D． 2Cl·+CH4 2HCl+·CH2Cl 光照 ·CH2Cl+Cl2 CH2Cl2+Cl· 光照 ·CH2Cl+Cl· CH2Cl2 光照 Cl·+CH3Cl ·CH2Cl+HCl 光照 析·典型范例 2. 化学反应的实质就是旧键的断裂和新键的生成。欲探讨发生化学反应时分子中化学键在何处断裂的问题，近代科技常使用同位素示踪原子法。如有下列反应： 由此可以推知，化合物 反应时断裂的化学键应是 A. ①③　 　B. ①④　 　C. ②　　 D. ②③ 一定条件 + 析·典型范例 3. 用18O标记的叔丁醇[(CH3)3C－18OH]与乙酸发生酯化反应(记为反应①)、用18O标记的乙醇(C2H5－18OH)与硝酸发生酯化反应(记为反应②)后，18O都存在于水中。关于上述两个反应机理有这样两个解释: Ⅰ. 酸提供羟基、醇提供羟基上的氢原子结合成水； Ⅱ. 醇提供羟基、酸提供羟基上的氢原子结合成水。 下列叙述中正确的是 　A. ①、②两个反应的机理都是Ⅰ B. ①、②两个反应的机理都是Ⅱ 　C. ①的机理是Ⅰ,②的机理是Ⅱ D. ①的机理是Ⅱ,②的机理是Ⅰ 析·典型范例 课堂小结 研究有机物的一般步骤和方法 步骤 分离、提纯 元素定量分析 确定实验式 测定相对分子质量 确定分子式 波谱分析 确定分子结构 方法 蒸馏、重结晶、萃取 李比希法 现代元素分析法 质谱法 红外光谱 核磁共振氢谱 课堂小结 有机物分子结构的确定 有机化合物分子式 确定有机物 结构式 判断官能团种类及官能团所处位置 推测 化学键类型 仪器分析谱图 化学性质实验 有机化学反应的研究 课堂小结 反应机理 反应类型 指反应物转变为生成物所经历的过程 （1）自由基型链反应 （2）离子型反应 （3）同位素示踪法 练·技能实战 1．判断下列说法是否正确： ①燃烧后只产生CO2和H2O的物质不一定只含有碳、氢两种元素。 ②根据红外光谱可以确定有机物中化学键种类。 ③核磁共振氢谱中，有几个吸收峰就说明有几个氢原子。 ④根据核磁共振氢谱可推知分子中有几种不同类型的氢原子及它们的相对数目。 练·技能实战 2. 在核磁共振氢谱中出现两组峰，其氢原子数之比为3 : 2的化合物是 A. B. C. D. 练·技能实战 3．在化合物A、B的分子式都是C2H4Br2。 （1）A的1H—NMR谱上只有一个峰，则A的结构简式为______________。 　　（2）B的1H—NMR谱上有两个峰，其强度比为______。 BrCH2CH2Br 3 : 1 CH3CHBr2 感谢 您的聆听 THANKS 苏教版选择性必修3 Multimedia Cloud Transcode (cloud.baidu.com) Content Adaptive Encoding 3.1 Lavf58.12.100 Multimedia Cloud Transcode (cloud.baidu.com) Content Adaptive Encoding 3.1 Multimedia Cloud Transcode (cloud.baidu.com) Lavf58.29.100 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 $