1.2.2有机化合物分子式与分子结构 课件-2025-2026学年高二下学期化学人教版选择性必修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 1 2 有机化合物的实验式，分子式和分子结构的确定 1 本节重点 本节难点 通过仪器分析推断有机化合物的分子结构 知识导航 书本P21【科学 技术 社会】青蒿素结构的测定 思考与讨论，人们对于有机物的研究经历需要哪些步骤？ 20世纪70年代初，我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 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 ——分离、提纯 ——确定实验式 → 分子式 ——确定分子结构 新课导入 3 研究有机化合物的一般步骤 蒸馏 萃取 重结晶等 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 本课件由大鹿化学工作室制作，侵权必究 分离 提纯 (质谱) (红外光谱 核磁共振氢谱 X射线衍射) 以青蒿素被认识的过程，总结研究有机化合物的主要步骤 有机物分离与提纯的常用方法？ 1.1有机化合物结构的研究 李比希元素分析仪 李比希元素分析仪 李比希元素分析仪 李比希元素分析仪 1.元素定量分析的原理 元素分析 定性分析：用化学方法鉴定有机化合物的元素组成，如燃烧法 有机物 燃烧 CO2 H2O 检验产物 有机物 元素组成 定量分析：用化学方法测定有机化合物的元素组成，如燃烧法 一定量有机物 燃烧 CO2 H2O 测定产物 有机物 元素组成 推算 实验式：表示分子内各元素原子的最简整数比的化学式 1.1有机化合物结构的研究 取一定量仅含C、H、O的有机物 CO2 H2O 测得前后的质量差 加CuO O2或 计算C、H原子质量分数 剩余的为O原子的质量分数 用KOH浓溶液或碱石灰吸收 测得前后的质量差 CO2 碱石灰 用无水CaCl2 吸收 确定实验式 取一定量仅含C、H、O的有机物 测得前后的质量差 计算C、H原子质量分数 剩余的为O原子的质量分数 测得前后的质量差 CO2 用无水CaCl2 吸收 H2O 确定实验式 注意：若m(有机物) ＝ m(C)+m(H)， 则说明该有机物中只含C、H。 若m(有机物)>m(C)＋m(H)且完全燃烧只生成CO2和H2O，则说明有O。 1.原理 1.1有机化合物结构的研究 下图是李比希测定有机化合物组成的实验装置，在750 ℃左右使有机化合物在氧气流中全部氧化为CO2和H2O，用含有氯化钙、氢氧化钾的吸收管分别吸收H2O和CO2。请讨论下列问题： (1)氯化钙和氢氧化钾位置能否互换？ 不能互换，因为氢氧化钾既可以吸收水又可以吸收二氧化碳。 (2)你觉得该装置有需要改进的地方吗？ a.在吸收剂之间加一个检验水是否吸收完全的装置。 b.在最后再加一个装有碱石灰的干燥管，防止空气中的二氧化碳和水进入。 1.1有机化合物结构的研究 【例1】某有机物5.8 g完全燃烧，生成CO2 13.2 g , H2O 5.4 g ，该有机物含有哪些元素?试求其实验式。 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 m(C) = 13.2 = 3.6 g m(H) = 5 = 0.6 g m(O) = 5.8 – 3.6 – 0.6 = 1.6 g 有机物的实验式： 该有机物含有C、H、O三种元素 实验式为 C3H6O 有机化合物分子内各元素原子的最简整数比——实验式（最简式） 1.1有机化合物结构的研究 李比希还建立了含氮、硫、卤素等有机化合物的元素定量分析方法，这些方法为现代元素定量分析奠定了基础。 现在，元素定量分析使用现代化的元素分析仪，分析的精确度和分析速度都达到了很高的水平， 可直接测定有机物中各元素的百分含量， 从而确定实验式 2、现代元素分析仪 拓展延伸 分子式：表示分子内各元素原子的种类和个数，表示物质的真实组成 确定了实验式，还需要什么条件才能确定分子式？ C3H6O 实验式 (C3H6O)n 分子式 实验式(最简式)与分子式的关系：分子式=(最简式)×n，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 实验式 分子式 CH4 CH4 C2H6O C2H6O CH2O C2H4O2 怎样确定n？ 确定相对分子质量 1.1有机化合物结构的研究 思考：回顾所学知识，有哪些方法可以求相对分子质量？ （1）定义法 ：M＝m/n 2.质谱法——测定相对分子质量 （3）标准状况下气体的密度ρ，求算摩尔质量。 M＝ρ×22.4 L·mol－1。 （2）根据有机物蒸气的相对密度 D D = = 【例1】有机物A蒸气与乙烯的相对密度为5，则其相对分子质量为 。 【例2】 标准状况下1 L有机物A的质量为2 g，则其相对分子质量为 。 44.8 140 实验仪器：质谱仪 1.计算法 1.1有机化合物结构的研究 最精确、快捷的方法 原理： 待测样品 带正电荷的分子离子和碎片离子等 高能电子流等轰击 有机分子失去电子 这些离子因质量、电荷不同，在电场和磁场中运动行为不同 得到它们相对质量与电荷数比值（质荷比） 计算机分析 以质荷比为横坐标， 以各类离子相对丰度为纵坐标 质谱图 质谱图中质荷比的最大值就是样品分子的相对分子量。 2.质谱法——测定相对分子质量 1.1有机化合物结构的研究 最右边的分子离子峰 符合分子式C2H6O的可能的结构有以下两种： 二甲醚 乙醇 质谱图中的碎片峰对我们确定有机化合物的分子结构有一定帮助，但未知物A究竟是二甲醚还是乙醇？ 确定有机物结构式的一般步骤是： （1）根据分子式写出可能的同分异构体 （2）利用该物质的性质推测可能含有的官能团，最后确定正确的结构 1.1有机化合物结构的研究 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 化学 方法 仪器分析 谱图 依据官能团特征反应 红外光谱、核磁共振氢谱和X射线衍射等 1.1有机化合物结构的研究 红外光谱仪 核磁共振波谱仪 X射线衍射仪 确定比较复杂的有机化合物的分子结构，仅靠质谱法是很难完成的，需要借助其他现代分析仪器，进行红外光谱、核磁共振氢谱和X射线衍射等分析 1.1有机化合物结构的研究 1.红外光谱 可获得分子中所含有的化学键或官能团的信息。 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。 应用： 1.1有机化合物结构的研究 从图中可以找到C—O、C—H和O—H的吸收峰，因此，可以初步推测该未知物A是含有羟基官能团的化合物，结构可表示为C2H5OH 未知物A（化学式为C2H6O）的红外光谱图 例： 1.1有机化合物结构的研究 核磁共振氢谱 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，相应的信号在谱图上出现的位置不同，具有不同的化学位移，而且吸收峰的面积与氢原子数成正比。 测定有机物分子中氢原子的类型和数目 2.核磁共振氢谱 原理： 应用： 吸收峰数目＝H原子种类数目 吸收峰面积比＝H原子个数之比 未知物A的核磁共振氢谱 （吸收强度） 1.1有机化合物结构的研究 氢原子核具有磁性 未知物A的核磁共振氢谱 二甲醚的核磁共振氢谱 由未知物A（分子式为C2H6O ）的核磁共振氢谱图，可以判断A的分子中有3种 不同化学环境的氢原子，个数比为3:2:1。 CH3OCH3（二甲醚）分子中的6个氢原子的化学环境相同，对应的核磁共振氢谱图中只有一个峰 未知物A的结构简式应该是CH3CH2OH，而不是CH3OCH3 例： 核磁共振氢谱可快速确定有机物等效氢个数，是判断同分异构体、确定有机物结构的一个重要依据！ 1.1有机化合物结构的研究 【例题】（1）下列有机物中有几种H原子以及个数之比？ ２种；９∶１ １种 ３种；３∶２∶１ CH3-CH-CH3 CH3 CH3-C-CH3 CH3 CH3 CH3-CH2-CH-CH3 CH3 CH3-CH2-OH CH2-CH2 Br Br ⑵化合物A和B的分子式都是C2H4Br2，A的NMR谱上只有1个峰，则A的结构简式为 . ４种；３∶２∶１∶６ （3）在核磁共振氢谱中出现两组峰，且峰面积之比为3∶2的化合物是( ) D 应用体验 X射线是一种波长很短（约10－10 m）的电磁波，它和晶体中的原子相互作用可以产生衍射谱图，会在记录仪上看到分立的斑点或明锐的衍射峰。 3.X射线衍射 原理： 可获得分子结构的有关数据，如键长、键角等，用于有机化合物晶体结构的测定。 应用： 1.1有机化合物结构的研究 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。 核磁共振氢谱图，可知：峰的个数即氢原子的种类数，而峰面积之比为各类氢原子个数之比 红外光谱图，可知：有机物分子中含有哪些化学键、官能团，从而确定有机物的结构 X射线衍射图，可知：有机化合物(特别是复杂的生物大分子)晶体结构的测定 归纳总结：谱图法在确定有机物分子结构中的应用 紫外光谱 有机化学中应用最广泛的测定分子结构的方法就是四大光谱法：红外光谱、紫外光谱、核磁共振和质谱。紫外吸收光谱(UV)和可见光谱一样，同属于电子光谱，都是由分子中价电子的能级跃迁产生的。主要用于有机化合物是否存在共轭体系的测定。 1.1有机化合物结构的研究 20世纪70年代初，屠呦呦等科学家提取了青蒿素，后通过元素分析和质谱法分析，确定其相对分子质量为282，分子式为C15H22O5。经红外光谱和核磁共振谱分析，确定其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它的分子结构。 青蒿素结构的测定 拓展延伸 ①C、H、O元素的质量或C、H、 O元素的质量比或C、H、 O元素的质量分数 ②燃烧产物的物质的量或质量 ①M=22.4ρ(标准状况下) ②M=dMr(d为相对密度，Mr为已知气体相对分子质量) ③质谱图 红外 光谱 核磁共 振氢谱 X射线 衍射 根据同分 异构体 根据化 学性质 求1 mol有机物中含各种元素原子的物质的量 有机物燃烧方程式、计算、讨论 分子式 结构式 实验式 相对分 子质量 确定有机物分子式(结构式)的一般思路 总结 蒸馏、萃取、重结晶等 ①李比希元素分析法 ②现代元素分析仪 ②质谱法 ①计算法 D = = M＝ρ×22.4 L·mol－1 ①红外光谱：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比 ③X射线衍射等分析：确定键长、键角等结构信息 吸收峰数目＝H原子种类数目 吸收峰面积比＝H原子个数之比 方法 总结：确定有机物分子式(结构式)的一般思路 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 M＝m/n $