3.2有机物的结构测定 课件 2025-2026学年高二下学期化学鲁科版选择性必修3

第2节 有机化合物结构的测定 选择性必修3 第3章 有机合成及其应用 合成高分子化合物 一、研究有机化合物的基本步骤 ①分离提纯→②元素定量分析以确定实验式→③测定相对分子质量以确定分子式→④波谱分析确定结构。 二、分离和提纯 1.蒸馏 2.重结晶 3.萃取 4.色谱法 三、元素分析与相对原子质量的测定 1.元素分析：李比希法 2.相对原子质量的测定—质谱法 四、有机物分子结构的确定 1.化学方法：利用特征反应鉴定出官能团，再进一步确认分子结构 2.物理方法：①红外光谱－确定化学键、官能团； ②核磁共振氢谱－确定等效氢原子的类型和数目 研究有机化合物的一般步骤和方法 一、物质的分离和提纯 1．物质的分离 把混合物的各种物质分开的过程，分开以后的各物质应该尽量减少损失，而且是比较纯净的。 (1)物理方法有：过滤、重结晶、升华、蒸发、蒸馏、分馏、液化、分液、萃取、渗析、溶解、盐析、气化、洗气等。 (2)化学方法有：加热分解、氧化还原转化、生成沉淀、酸碱溶解或中和、络合、水解、化学方法洗气等。 2．物质的提纯 将某物质中的杂质，采用物理或化学方法除掉的过程。它和分离的主要区别在于除掉后的杂质可以不进行恢复。 (1)物质提纯的原则 ①不增：指在提纯过程中不增加新物质。 ②不减：指在提纯过程中不减少被提纯物。 ③易分离：指被提纯物与杂质易分离。 ④易复原：指在提纯过程中被提纯物转变成了其他物质时，应容易将其恢复到原来的状态。 一、物质的分离和提纯 2．物质的提纯 (2)提纯的方法 ①杂转纯：将要除去的杂质变为被提纯物，这是提纯物质的最佳方案。如除去Na2CO3中混有的NaHCO3，可将混合物加热使NaHCO3全部转化为Na2CO3。 ②杂变沉：加入一种试剂将要除去的杂质变成沉淀，最后用过滤的方法除去沉淀。 ③化为气：加热或加入一种试剂使杂质变为气体逸出。如食盐水中混有Na2CO3，可加盐酸使CO32-变为CO2逸出。 ④溶剂分：加入一种溶剂将杂质或被提纯物质萃取出来。如用CCl4可将碘从水中萃取出来。 一、物质的分离和提纯 一、物质的分离和提纯 1.蒸馏：常用于分离、提纯液态有机物的常用方法。 （1）定义：利用混合物中各种成分的沸点不同而使其分离的方法。如石油的分馏。 （2）条件：①有机物热稳定性较强 ②含少量杂质 ③与杂质沸点相差较大（30℃左右） 【思考】(1)实验室进行蒸馏时，用到的仪器有哪些？ 铁架台、酒精灯、石棉网、蒸馏烧瓶、温度计、直型冷凝管、牛角管、锥形瓶 （2）实验过程中要注意哪些问题？ 温度计水银球位置（蒸馏烧瓶支管口处）、冷凝管种类、进水出水、牛角管与锥形瓶结合处是否保持压强一致等 含杂工业乙醇 工业乙醇(95.6%) 无水乙醇(99.5%以上) 蒸馏 加CaO 蒸馏 【工业乙醇的蒸馏】这样得到的酒精是否就是无水酒精？怎样才能得到无水酒精？ 一、物质的分离和提纯 一、物质的分离和提纯 【思考与讨论】已知KNO3在水中的溶解度很容易随温度变化而变化，而NaCl的溶解度却变化不大。 1、实验室如何提纯含少量氯化钠杂质的硝酸钾？ 在烧杯中加水溶解，在蒸发皿中蒸发浓缩，得到较高温度下的过KNO3饱和溶液（出现晶膜），冷却结晶，再过滤，洗涤，干燥即得KNO3晶体 2、实验室如何提纯含少量硝酸钾杂质的氯化钠？ 在烧杯中加水溶解成热的饱和溶液，在蒸发皿中蒸发浓缩，会有氯化钠晶体析出，当有大量晶体析出是时（不能蒸干），趁热过滤，滤纸上的晶体就是氯化钠，硝酸钾留在滤液中。再洗涤，干燥即得NaCl晶体 蒸发结晶 降温结晶 【交流讨论】两种方法的操作过程有什么区别？ 利用多次结晶的方法进一步提纯物质的过程，叫重结晶 2.重结晶：分离、提纯固态有机物的常用方法 （1）定义：利用被提纯物质与少量杂质（通常质量分数小于5%）在同一溶剂中的溶解度不同而将其杂质除去的方法。 关键：选择适当的溶剂 （2）溶剂的条件： ①杂质在溶剂中的溶解度很小或很大，易于除去； ②被提纯的有机物在此溶剂中的溶解度受温度的影响较大。 ③该有机物在热溶液中的溶解度较大，冷溶液中的溶解度较小，冷却后易于结晶析出。 一、物质的分离和提纯 【例】苯甲酸的重结晶 粗产品 热溶解 热过滤 冷却结晶 提纯产品 实验仪器与操作步骤 实验仪器：烧杯、玻璃棒、石棉网、漏斗、三脚架、酒精灯、铁架台等 加热溶解 趁热过滤 冷却结晶 1、加热溶解：往装有粗苯甲酸的烧杯中加入40mL蒸馏水，在石棉网上搅拌加热，至粗甲苯溶解。全溶后再加入少量蒸馏水。 2、趁热过滤：用玻璃漏斗趁热将溶液过滤到另一100mL烧杯中。(注意：一贴二低三靠) 3、冷却结晶：将滤液静置，使其缓慢冷却结晶。 4、过滤出晶体。 一、物质的分离和提纯 【例】苯甲酸的重结晶 为了减少趁热过滤过程中苯甲酸的损失 不纯固体物质 残渣 (不溶性杂质) 滤液 母液 (可溶性杂质和部分被提纯物) 晶体 (产品) 溶于溶剂，制成饱 和溶液，趁热过滤 冷却，结晶 过滤，洗涤 洗涤晶体的方法： 用胶头滴管往晶体上加蒸馏水自然流下，重复两至三次，直至晶体被洗净。 检验洗涤效果：（离子的检验） 取最后一次的洗涤液，再选择适当的试剂进行检验。 一、物质的分离和提纯 【思考1】如何洗涤结晶？如何检验结晶已洗净？ 【思考2】冷却结晶时，并不是温度越低越好。 因为温度过低，杂质的溶解度也会降低， 部分杂质也会析出，达不到提纯的目的。 3.萃取：富集有机物的常用方法 （1）原理：利用混合物中一种溶质在互不相溶的两种溶剂中的溶解性不同，用一种溶剂把溶质从它与另一种溶剂组成的溶液中提取出来的方法 （2）主要仪器：分液漏斗、烧杯、铁架台 一、物质的分离和提纯 ①与原溶剂互不相容； ②溶质在萃取剂中溶解度较大； ③萃取剂不与溶液中任一成分反应。 注意： ①使用分液漏斗第一步是：检查分液漏斗的活塞和瓶塞是否漏水。 ②萃取后必须有分液操作。 （3）萃取剂选择条件： （4）操作过程： 加入原溶液后再加入萃取剂，充分 ，静置分层后，打开分液漏斗活塞，从下口将 放出，并及时关闭活塞， 从上口倒出。 振荡 下层液体 上层液体 3.萃取：富集有机物的常用方法 一、物质的分离和提纯 4.色谱法（了解） 1906年，茨卫特在一根玻璃管的细端塞上一小团绵花，在管中充填碳酸钙粉末，让溶有绿色植物叶子色素的石油醚溶液自上而下地通过。结果植物色素便被碳酸钙吸附，分成三段不同颜色：绿色、黄色、黄绿色。再将碳酸钙吸附柱取出，并用乙醇洗脱，即得色素的溶液：叶绿素、叶黄素、胡萝卜素。 一、物质的分离和提纯 茨卫特的色谱实验当时并未引起人们的注意。直到25年后的1931年，德国化学家库恩在分离、提纯、确定胡萝卜素异构体和维生素的结构中，应用了色谱法，并获得1938年诺贝尔化学奖。 德国化学家库恩 方 法 适用条件 主要仪器 蒸 馏 分离各组分沸点不同的液态混合物 温度计、蒸馏烧瓶、冷凝管、牛角管、锥形瓶 重结晶 固体有机物溶解度随温度的变化较大 漏斗、玻璃棒、烧杯 萃 取 溶质在两种互不相溶的溶剂里溶解度不同 分液漏斗 蒸发结晶 分离可溶性溶质与溶剂（盐水提盐） 蒸发皿、玻璃棒、酒精灯、三脚架 蒸发浓缩 冷却结晶 提纯易水解的盐或者制取结晶水合物 蒸发皿、玻璃棒、酒精灯、三脚架、漏斗、烧杯 二、元素分析与相对分子质量的确定 有机物 （纯净） 确定分子式 首先要确定有机物中含有哪些元素 （定性分析） 如何利用实验的方法确定有机物中C、H、O各元素的质量分数？（定量分析） 李比希法 现代元素分析法 研究有机物的一般步骤和方法 1.元素分析： “李比希元素分析法”的原理： 二、元素分析与相对分子质量的确定 取一定量含C、H（O）的有机物 用氧气和氧化铜 加热氧化 H2O CO2 用无水 CaCl2吸收 用碱液或者碱石灰吸收 得前后质量差 得前后质量差 计算C和H含量 计算O含量 实验式 【例】5.8 g某有机物完全燃烧，生成CO2 13.2 g，H2O 5.4 g 。该有机物实验式为? n(C):n(H):n(O)＝13.2／44:5.4×2／18:1.6／16＝0.3:0.6:0.1＝3:6:1 实验式为C3H6O 【思考】能否直接确定该有机物的分子式？实验式和分子式有何区别？ 实验式：表示化合物分子中所含元素的原子数目最简整数比的式子。 分子式：表示化合物所含元素的原子种类及数目的式子，表示物质的真实组成。 【例】化学上常用燃烧法确定有机化合物的组成。这种方法是在电炉加热时用纯氧氧化管内样品，根据产物质量确定有机化合物的组成。选用如图所示装置用燃烧法确定有机化合物的化学式。 1.若产生的氧气的流向按从左到右，所选择装置中各导管的连接顺序是_________________________________________(装置可重复利用)。 2.某含C、H、O三种元素组成的未知有机物A，经实验测定该未知物中碳的质量分数为52.16%，氢的质量分数为13.14%，能否确定其分子式？ g→a→b→h→i→c→d→a→b→a→b C2H6O 二、元素分析与相对分子质量的确定 ①部分有机化合物的实验式中，碳原子已达到饱和，则该有机化合物的实验式即为分子式，如CH4、CH3Cl、C2H6O、C4H10O3 ②某些特殊组成的实验式，不用结合其相对分子质量，也可根据其组成特点确定其分子式，例如实验式为CH3的有机化合物，其分子式可表示为(CH3)n，当n=2时，碳原子已达到饱和，故其分子式只能为C2H6。同理，实验式为CH3O的有机化合物，当n=2时，碳原子已达到饱和，故其分子式只能为C2H6O2。 二、元素分析与相对分子质量的确定 CO2 H2O　 N2　 卤化银 100%　 二、元素分析与相对分子质量的确定 【练习】实验测得某碳氢化合物A中，含碳80%、含氢 20%，求该化合物的实验式。又测得该化合物的相对分子质量是30，求该化合物的分子式。 解法一 解法二 n(C)∶n(H)＝80／12∶20／1＝1∶3 则该化合物的实验式：CH3 设分子式为 (CH3)n 则 15n＝30 所以，n＝2，分子式为C2H6 1mol有机物中含C原子30×80%／12＝2mol 1mol有机物中含H原子30×20%／1＝6mol 则一个分子中含2个C原子6个H原子，所以分子式为C2H6 二、元素分析与相对分子质量的确定 【方法一】由物质中各原子（元素）的质量分数→ 各原子的个数比(实验式)→再由相对分子质量和实验式 → 有机物分子式 【归纳】确定有机化合物的分子式的方法： 有机化合物的分子式 = (实验式)n, n = 二、元素分析与相对分子质量的确定 【方法二】1 mol物质中各原子（元素）的质量除以原子的摩尔质量→ 1 mol物质中的各种原子的物质的量→知道一个分子中各种原子的个数 → 有机物分子式 【思考】确定相对分子质量的方法有哪些？ （1）M = m/n （2）M1 = DM2 (D为相对密度) （3）M = 22.4 L/mol ·ρg/L=22.4ρ g/mol(标况下气体) （4） 质谱法 2.质谱法——测定相对分子质量 测定相对分子质量的方法很多，质谱法是最精确、最快捷的方法。它是用高能电子流等轰击样品分子，使该分子失去电子变成带正电荷的分子离子和碎片离子。这些不同离子具有不同的质量，质量不同的离子在磁场作用下达到检测器的时间有差异，其结果被记录为质谱图。 有机物分子 高能电子束轰击 带电的 “碎片” 确定结构 碎片的质荷比 质谱图中的质荷比：碎片的相对质量（m）和所带电荷（e-）的比值 （分子离子的质荷比越大，达到检测器需要的时间最长，因此谱图中的质荷比最大的就是未知物的相对分子质量） 二、元素分析与相对分子质量的确定 31 100 80 60 40 20 0 20 30 40 50 27 29 45 46 CH3CH2 + CH2=OH + CH3CH=OH + 相对丰度/% 分子、离子的质荷比越大，达到检测器需要的时间越长，因此质谱图中的质荷比最大的就是未知物的相对分子质量。 相对丰度(RA)——以图中最强的离子峰(基峰)高为100％，其它峰的峰高则用相对于基峰的百分数表示。 二、元素分析与相对分子质量的确定 【练习】某有机物的结构确定： ①测定实验式：某含C、H、O三种元素的有机物，经燃烧分析实验测定其碳的质量分数是64.86%，氢的质量分数是13.51%, 则其实验式是 。 ②确定分子式：下图是该有机物的质谱图，则其相对分子质量为 ，分子式为 。 C4H10O 74 C4H10O 二、元素分析与相对分子质量的确定 三、有机物分子结构的测定 确定有机化合物结构式的流程 化学键类型 官能团 ★有机物中不饱和度计算 1.从结构式计算不饱和度 （1）双键：C=C C=O -NO2 （2）三键：C≡C （3）环： （4）苯环： （5）萘： （6）立体封闭多面体型分子： 即：Ω=面数-1 适用：题目给物质结构 Ω=1 Ω=2 Ω=1 Ω=4 （可以看成一个环与三个双键构成） Ω=7 Ω=5 Ω=2 三、有机物分子结构的测定 CxHyOzNmXn的不饱和度的计算 2.根据组成算 技巧： 碳数加一氢减半 O、S不计算， 卤素当H看， 见N划NH， (x+1)－ 2 = y+n-m 2 Ω= (2x+2)-y-n+m 适用：题目给物质分子式 例.某链烃的分子式为C200H202 ，则分子中含有的碳碳叁键最多为 个。 50 ★有机物中不饱和度计算 三、有机物分子结构的测定 三、有机物分子结构的测定 化学方法：常见官能团的实验推断方法 官能团种类 检测试剂 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（注意醛基、羟基等） 卤素原子 NaOH溶液(加热)，稀硝酸、AgNO3溶液 有沉淀生成，根据沉淀的颜色判断卤素的种类 醇羟基 钠 有氢气放出（注意羧基、酚羟基） 酚羟基 FeCl3溶液 显紫色 浓溴水(足量) 有白色沉淀生成 醛基 银氨溶液(水浴) 有银镜生成 新制氢氧化铜悬浊液(加热) 有砖红色沉淀生成 羧基 NaHCO3溶液 有CO2气体放出 【知识延申】 有机物中硝基(-NO2)的检验方法 取少量有机物样品，加入(NH4)2Fe(SO4)2溶液、硫酸及KOH的甲醇溶液，若混合液呈红棕色，则说明含有硝基。 有机物中氰基(-CN)的检验方法 取少量有机物样品，加入浓NaOH溶液加热，在试管口用湿润的红色石蕊试纸检验，试纸变蓝，说明含有氰基。检验方法与NH4+检验相同。 三、有机物分子结构的测定 例.现有分子式均为C3H6O2的四种有机物A、B、C、D,且分子中均含甲基，把它们分别进行下列实验加以鉴别，实验记录如表所示: 物质 NaOH溶液 银氨溶液 新制Cu(OH)2悬浊液 金属钠 A 中和反应 — 固体溶解 产生氢气 B — 有银镜生成 加热后有砖红色沉淀 产生氢气 C 水解反应 有银镜生成 加热后有砖红色沉淀 — D 水解反应 — — — 则A、B、C、D的结构简式分别为: A　 　　　 　　,B　 　　　 　　,C　 　　　　　,D　 　　　　　。  CH3CH2COOH CH3CHOHCHO HCOOCH2CH3　 CH3COOCH3 三、有机物分子结构的测定 ①红外光谱：获得分子中含有何种化学键或官能团的信息 物理方法： 三、有机物分子结构的测定 工作原理：由于有机物中组成化学键、官能团的原子处于不断振动状态，且振动频率与红外光的振动频谱相当。所以，当用红外线照射有机物分子时，分子中的化学键、官能团可发生震动吸收，不同的化学键、官能团吸收频率不同，在红外光谱图中将处于不同位置。因此，我们就可以根据红外光谱图，推知有机物含有哪些化学键、官能团，以确定有机物的结构。 例.下图是一种分子式为C4H8O2的有机物的红外光谱谱图，则该有机物的结构简式为（写出3种）： C―O―C C=O 不对称CH3 CH3CH2COOCH3或CH3COOCH2CH3或CH3COCH2OCH3 三、有机物分子结构的测定 ②核磁共振氢谱（1H-NMR）：测定有机物分子中氢原子的种类及它们的相对数目 物理方法： 工作原理：核磁共振中的核指的是氢原子核。氢原子核具有磁性，如用电磁波照射氢原子核，它能通过共振吸收电磁波能量，发生跃迁。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。可以推知该有机物分子有几种不同类型的氢原子及它们的数目多少。 吸收峰组数=氢原子种类数目，吸收峰面积比=不同类型的氢原子个数比 三、有机物分子结构的测定 例1.分子式为C2H6O的两种有机化合物的1H核磁共振谱，分别写出两种有机物的结构式 三、有机物分子结构的测定 例2.分子式为C3H6O2的二元混合物，分离后，在核磁共振氢谱上观察到氢原子给出的峰有两种情况。第一种情况峰给出的强度为1︰1；第二种情况峰给出的强度为3︰2︰1。由此推断混合物的组成可能是（写结构简式）。 CH3COOCH3 CH3CH2COOH HOCH2COCH3 HCOOCH2CH3 1:1 3:2:1 三、有机物分子结构的测定 一、研究有机化合物的基本步骤 ①分离提纯→②元素定量分析以确定实验式→③测定相对分子质量以确定分子式→④波谱分析确定结构。 二、分离和提纯 1.蒸馏 2.重结晶 3.萃取 4.色谱法 三、元素分析与相对原子质量的测定 1.元素分析：李比希法 2.相对原子质量的测定—质谱法 四、有机物分子结构的确定 1.化学方法：利用特征反应鉴定出官能团，再进一步确认分子结构 2.物理方法：①红外光谱－确定化学键、官能团； ②核磁共振氢谱－确定等效氢原子的类型和数目 【小结】研究有机化合物的一般步骤和方法 $