高中鲁科版 (2019)微项目 模拟和表征有机化合物分子结构——基于模型和图谱的探索综合训练题

微项目 模拟和表征有机化合物分子结构——基于模型和图谱的探索

【必备知识·素养奠基】

一、表示有机物组成和结构的化学用语(以丙烷为例)

二、仪器法测定有机化合物的碳骨架和官能团

1.核磁共振谱(NMR)。核磁共振谱分为氢谱(1H核磁共振谱)和碳谱两类,其中比较常用的是氢谱。氢谱能够测定有机化合物分子中氢原子在碳骨架上的位置和数目,进而推断出有机化合物的碳骨架结构。

2.红外光谱(IR)。每种官能团在红外光谱中都有一个特定的吸收区域,因此从一未知物的红外光谱就可以准确判断该有机化合物中含有哪些官能团。红外光谱不仅可以用于定性鉴定,还可以定量算出样品的浓度。

3.紫外光谱(UV)。紫外光谱可以确定分子中有无共轭双键。

科学家在-100 ℃的低温下合成了一种烃X,红外光谱和核磁共振氢谱表明其分子中的氢原子所处的化学环境没有区别,根据分析,绘制了该分子的球棍模型如图所示。

(1)根据球棍模型写出其键线式,并写出其分子式。

提示:根据碳原子四键原则可知其分子中左右各有一个碳碳双键,所以其键线式为,分子式为C5H4。

(2)根据其结构,其一氯代物有多少种?

提示:因为其四个顶点上的氢原子环境一样,所以一氯代物有一种。

【关键能力·素养形成】

项目活动1:利用模型模拟有机化合物的分子结构

　　巴豆酸是一种不饱和脂肪酸,分子中含有双键和羧基,具有很强的反应性,在工业上具有广泛的用途,主要用于制备各种树脂、杀菌剂、表面涂料、增塑剂;也可作为重要的医药中间体、农药中间体等有机化工中间体。其中最主要的用途是作为聚醋酸乙烯涂料的原料,巴豆酸中只含碳、氢、氧三种元素,其分子模型如图所示。

【活动探究】

　 (1)巴豆酸中○表示什么原子?表示什么原子?表示什么原子?

提示:根据碳原子的4价键、氢原子的1价键、氧原子的2价键原则,结合分子的球棍模型可知,○表示H,表示C,表示O。

(2)巴豆酸的结构简式是什么?

提示:由碳、氢、氧原子的价键原则,结合球棍模型可知,该有机物的结构简式为。

(3)巴豆酸中存在的极性键有哪些?非极性键有哪些?

提示:两个不同元素的原子形成的化学键是极性共价键,该分子中的极性键有C—H、C—O、O—H、CO。两个相同元素的原子形成的化学键是非极性共价键,该分子中的非极性键有C—C、CC。

(4)根据两原子之间形成的共价键的个数,进行判断,巴豆酸中有几种碳碳键?

提示:根据分子中原子的成键个数,可以判断碳原子之间有两种碳碳键,碳碳双键和碳碳单键。

(5)某同学根据碳、氢、氧三种元素的成键特点,写出了如下的四种物质,其中哪些与巴豆酸互为同分异构体?哪些与巴豆酸互为同系物?

①CH3CHCHCOOH　②CH2CHCOOCH3

③CH3CH2CHCHCOOH　 ④CH3CH(CH3)COOH

提示:与已知有机物分子式相同,结构不同的是①和②,故与巴豆酸互为同分异构体的是①和②。同系物的结构相似,分子组成上相差一个或若干个CH2原子团,③分子中含有1个碳碳双键和1个羧基,其分子组成上比该有机物多一个CH2,它们属于同系物。④中的物质与该有机物的分子式不同,且分子中不含有碳碳双键,故其与该有机物既不属于同系物也不属于同分异构体。

【思考·讨论】

　如何书写有机物的同分异构体?

提示:书写同分异构体的方法为先写碳骨架异构,再写官能团异构;官能团异构在书写时先书写官能团的类型异构,再书写官能团的位置异构。

　【探究总结】

1.碳原子的成键特点

(1)单键、双键和三键

(2)极性键和非极性键

2.同分异构体

(1)同分异构的类型

①碳骨架异构:由于碳链骨架不同,产生的异构现象。如:CH3CH2CH2CH3与。

②官能团异构

a.位置异构:由于官能团在碳链中位置不同而产生的同分异构现象。如:CH3CH2CHCH2与CH3—CHCH—CH3。

b.类型异构:分子式相同,但具有不同的官能团而产生的同分异构现象,如:CH3CH2OH与CH3—O—CH3。

(2)同分异构体的类型——常见的官能团异构

【迁移应用】

1.(2020·南京高二检测)下列各组化合物中不互为同分异构体的是 (　　)

C　　　　　　　　　　　　D

【解析】选B。B项,前者分子式是C14H24,后者分子式是C13H22,分子式不相同,二者不互为同分异构体。

2.下列共价键中,属于极性键且极性最强的是 (　　)

A.　　　　　　B.

C.     D.

【解析】选B。A、D两项的共价键是由同种元素(碳元素)的原子形成的,其电负性之差为零,属于非极性键;B、C两项的共价键是由不同元素(B为碳和氧两种元素,C为碳和氮两种元素)的原子形成的,属于极性共价键,并且碳和氧两种元素的电负性差值要大于碳和氮两种元素的电负性差值,故极性最强的共价键是碳氧双键,B项正确。

3.CO2的资源化利用是解决温室效应的重要途径。以下是在一定条件下用NH3捕获CO2生成重要化工产品三聚氰酸的反应:

+3H2O

下列有关三聚氰酸的说法正确的是 (　　)

A.分子式为C3H6N3O3

B.分子中既含极性键,又含非极性键

C.属于共价化合物

D.生成该物质的上述反应为中和反应

【解析】选C。由三聚氰酸的结构简式可知其分子式为C3H3N3O3,A错误;分子中存在O—H、C—O、N—C、NC键,都属于极性键,所以分子中不存在非极性键,B错误;该化合物中只含有共价键,所以属于共价化合物,C正确;该反应不是酸与碱发生的反应,所以不是中和反应,D错误。

【补偿训练】

　1.(2020·合肥高二检测)下列关于

分子结构的叙述中,正确的是 (　　)

A.除苯环外的其余碳原子有可能都在一条直线上

B.除苯环外的碳原子都在一条直线上

C.12个碳原子不可能都在同一平面上

D.12个碳原子有可能都在同一平面上

【解析】选D。按照结构特点,其空间结构可简单表示为

由图可以看到,直线l一定在平面β上,甲基上3个氢原子最多有1个在这个平面上;—CHF2中的2个氟原子和1个氢原子,最多只有1个在双键决定的平面α上;平面α和平面β一定共用2个碳原子,可以通过旋转碳碳单键,使两平面重合,此时仍一定至少有—CHF2中的2个原子(氟原子或氢原子)和—CH3中的2个原子(氢原子)不在这个平面上。要使苯环外的碳原子共直线,必须使双键部分键角为180°,但烯烃中键角约为120°,所以,苯环以外的碳原子不可能共直线。

2.下列关于同分异构体异构方式的说法中,不正确的是 (　　)

A.CH3CH2CH2CH3和CH3CH(CH3)2属于碳骨架异构

B.H3CC≡CCH3和CH2CHCHCH2属于官能团异构

C.CH2C(CH3)2和CH3CHCHCH3属于官能团异构

D.和属于位置异构

【解析】选C。A中CH3CH2CH2CH3和CH3CH(CH3)2碳骨架不同,前者没有支链,后者有支链,属于碳骨架异构;B中两物质官能团不同,属于官能团异构;C中

CH2C(CH3)2和CH3CHCHCH3的官能团相同,属于碳骨架异构; D中甲基与—OH在苯环上的位置不同,属于位置异构。

项目活动2:利用图谱表征有机化合物的分子结构

芬必得布洛芬缓释胶囊于1991年在中国上市,将世界上最安全的非甾体抗炎药物(NSAIDS)之一——布洛芬引入了中国,其独有的12小时缓释技术,使芬必得不仅能够持久有效止痛,而且安全副作用低,同时使用更方便,成功填补了我国在缓释胶囊制作工艺上的空白。

那么“芬必得”的主要成分是什么?其相对分子质量为多少?分子中有多少不同环境的氢原子?为探究“芬必得”的主要成分,某化学兴趣小组采用了以下方法对该有机物进行探究。

　【活动探究】

1.实验小组同学利用质谱仪测得了以下数据:70、73、15、57、222等,由上述数据可以得到什么结论?

提示:用质谱仪测得的最大数据就是该主要成分的相对分子质量,由此可以判断该主要成分的相对分子质量为222。

2.实验小组同学利用红外光谱仪也测得了一些数据,其数据如图所示,若分子中只有1种官能团,由数据判断分子中的官能团可能是什么?还含有什么基团?

提示:利用红外光谱可测得分子中的原子连接方式,同时测得分子中的官能团,由上图的数据可知,该分子中含有羧基和苯环。

3.核磁共振氢谱显示,图谱上有8组峰,且峰的面积之比为6∶3∶2∶2∶2∶1∶1∶1,由此可以得到哪些信息?

提示:由图谱信息可知,分子中有8种不同环境的氢原子,且氢原子个数之比为6∶3∶2∶2∶2∶1∶1∶1。

4.若该分子中除了含有苯环外,还含有和两个基团,综合上述信息,实验小组同学推测“芬必得”的主要成分的结构简式为

,该结论是否正确?若不正确,这两个基团应该如何连接?

提示:不正确,由第3问可知分子中有8种不同环境的H,而该结构中含有10种不同环境的氢原子,因此不符合题意,分子的结构简式应该为

　【思考·讨论】

　利用光谱法如何表征有机化合物分子的结构?

提示:

【探究总结】

仪器法测定有机化合物的碳骨架和官能团

1.核磁共振谱(NMR)。核磁共振谱分为氢谱(1H核磁共振谱)和碳谱两类,其中比较常用的是氢谱。氢谱能够测定有机化合物分子中氢原子在碳骨架上的位置和数目,进而推断出有机化合物的碳骨架结构。

2.红外光谱(IR)。每种官能团在红外光谱中都有一个特定的吸收区域,因此从一未知物的红外光谱就可以准确判断该有机化合物中含有哪些官能团。红外光谱不仅可以用于定性鉴定,还可以定量算出样品的浓度。

3.紫外光谱(UV)。紫外光谱可以确定分子中有无共轭双键。

【迁移应用】

1.核磁共振氢谱是指有机物分子中的氢原子所处的化学环境(即其附近的基团)不同,表现出的核磁性就不同,代表核磁性特征的峰在核磁共振氢谱图中坐标的位置(化学位移,符号为δ)也就不同。现有一物质的核磁共振氢谱如图所示:

则可能是下列物质中的 (　　)

A.CH3CH2CH3　　　　　B.CH3CH2CH2OH

C.CH3CH2CH2CH3  D.CH3CH2CHO

【解析】选B。由核磁共振氢谱图知该有机物分子中含有4种不同化学环境的氢原子,A物质分子中有2种不同化学环境的氢原子,B物质分子中有4种不同化学环境的氢原子,C物质分子中有2种不同化学环境的氢原子,D物质分子中有3种不同化学环境的氢原子,故选B。

2.(2020·北京西城区高二检测) 化合物A经李比希法和质谱法分析得知其相对分子质量为136,分子式为C8H8O2。A的核磁共振氢谱有4个峰且面积之比为1∶2∶2∶3,A分子中只含一个苯环且苯环上只有一个取代基,其核磁共振氢谱与红外光谱如图。关于A的下列说法中,不正确的是              (　　)

A.A分子属于酯类化合物,在一定条件下能发生水解反应

B.1 mol A在一定条件下可与3 mol H2发生加成反应

C.符合题中A分子结构特征的有机物只有1种

D.与A属于同类化合物的同分异构体只有2种

【解析】选D。因化合物A中有4种不同化学环境的氢原子,个数比为1∶2∶2∶3,又因为A是一取代苯,苯环上有3种不同化学环境的氢原子,个数分别为1、2、2,所以剩余侧链上的3个氢原子必须等效,为—CH3,结合红外光谱知,A中含有酯基,可以水解,则化合物A的结构简式为。1 mol A可与3 mol H2发生加成反应。与A属于同类化合物的同分异构体大于2种:、、等。

【课堂检测·素养达标】

1.如图是某有机物的填充模型,有关该有机物的推断不正确的是 (　　)

A.分子中可能含有羟基

B.分子中可能含有羧基

C.分子中可能含有氨基

D.该物质的分子式可能为C3H6O3

【解析】选C。观察模型中有三种球(黑球3个、灰球3个、小白球6个),说明该有机物分子中有三种原子。再联想有机化合物中C、H、O等常见原子形成共价键的价键特征,可分析出黑球应该是碳原子、灰球是氧原子、小白球是氢原子。题给模型所表示的有机物结构简式为HOCH2CH2COOH。

2.(2020·惠州高二检测)下列化合物中核磁共振氢谱上只出现三个峰且峰面积之比为3∶2∶2的是 (　　)

A.　　　　　B.

C.     D.

【解析】选B。A、D项的核磁共振氢谱中均有2个峰,且峰面积之比均为2∶3;C项的核磁共振氢谱中有2个峰,峰面积之比是1∶3。

3. (2020·三门峡高二检测)质谱图显示,某化合物的相对分子质量为74,燃烧实验发现其分子内碳、氢原子个数之比为2∶5,核磁共振氢谱图显示,该物质中只有2种类型的氢原子。下列关于该化合物的描述中正确的是              (　　)

A.该化合物可能为1-丁醇

B.该化合物可能为2-丁醇的同分异构体

C.该化合物为乙醚

D.该化合物为乙醚的同系物

【解析】选B。1-丁醇的结构简式为,有5种类型的氢原子,A错误;CH3CH2OCH2CH3和都符合题意,故C、D错误,B正确。

4.核磁共振氢谱(NMR)是研究有机物结构的有力手段之一,在所研究的化合物分子中,每一结构中的等效氢原子在PMR谱中都给出了相应的峰(信号)。峰的强度与结构中的H原子数呈正比,例如乙酸分子的核磁共振氢谱中有两个信号峰,其强度比为3∶1。现有某化学式为C3H6O2的有机物的核磁共振氢谱有三个峰,其强度比为3∶2∶1,则该有机物的结构简式不可能是              (　　)

A.CH3CH2COOH    B.CH3COOCH3

C.HCOOCH2CH3    D.CH3COCH2OH

【解析】选B。在核磁共振氢谱中,等效氢原子都给出了相应的峰(信号),峰的强度与结构中的H原子数呈正比。因此核磁共振氢谱有三个峰说明有三种化学环境不同的氢原子,而且其个数比为3∶2∶1。

5.(2020·大理高二检测)为了测定芳香烃A的结构,做如下实验:

(1)将9.2 g该芳香烃A完全燃烧,生成标准状况下15.68 L CO2和7.2 g H2O。

(2)用质谱仪测定其相对分子质量,得如图所示的质谱图,由图可知该分子的相对分子质量是______,有机物A的分子式为____________。 

(3)用核磁共振仪处理该有机物得到四个峰,且四个峰的面积之比是1∶2∶2∶3,则该有机物A的结构简式为________。 

【解析】(1)将9.2 g该芳香烃A完全燃烧,生成标准状况下15.68 L CO2和7.2 g H2O,即n(C)=n(CO2)==0.7 mol,n(H)=2n(H2O)=2×=0.8 mol,N(C)∶N(H)=7∶8,所以芳香烃A的最简式为C7H8;

(2)在质谱图中,最大质荷比为92,则芳香烃A的相对分子质量为92,C7H8的相对分子质量为92,所以芳香烃A的分子式为C7H8;

(3)用核磁共振仪处理该有机物得到四个峰,且四个峰的面积之比是1∶2∶2∶3,即A中有4种不同环境的氢原子,所以有机物A为甲苯,结构简式为。

答案:(2)92　C7H8　 (3)

六　模拟和表征有机化合物分子结构——基于模型和图谱的探索

(30分钟　50分)

一、选择题(本题包括3小题,每小题5分,共15分)

1.分子式为C5H7Cl的有机物,其结构不可能是 (　　)

A.只含有一个双键的直链有机物

B.含有两个双键的直链有机物

C.含有一个双键的环状有机物

D.含有一个三键的直链有机物

【解析】选A。有机物中C、H、Cl原子的成键原则:C原子周围有4对共价键,H、Cl原子周围有1对共价键,将Cl原子看成H原子,可知C5H7Cl的不饱和度为=2,一个双键不饱和度为1,一个三键不饱和度为2,一个环不饱和度为1,据此判断。

2.如图是某有机化合物分子的填充模型,黑色的是碳原子,白色的是氢原子,灰色的是氧原子。该分子是              (　　)

A.C2H5OH　　　　　　B.CH3COOH

C.CH3CHO D.C6H5OH

【解析】选B。由有机物分子的填充模型可知其结构简式为。

3.甲、乙两种有机物的球棍模型如下:

下列有关二者的描述中正确的是 (　　)

A.甲、乙为同一物质

B.甲、乙互为同分异构体

C.甲、乙一氯取代物的数目不同

D.甲、乙分子中含有的共价键数目不同

【解析】选B。由甲、乙的球棍模型知,甲、乙的分子式相同,空间构型不同,互为同分异构体。甲和乙中都有2种不同的氢原子,一氯取代物都有2种。两物质含共价键的数目相同。

二、非选择题(本题包括1小题,共15分)

4.已知下列物质:①CH4　②CH≡CH　③CH2CH2　④　⑤CCl4,其中只含有极性键的是__; 

既含有极性键又含有非极性键的是________;既含单键又含三键的是________。 

【解析】CH4中只含有C—H键,C—H键为极性键;CH≡CH中含有C≡C键(非极性键)与C—H键(极性键);CH2CH2中含有非极性键(CC键)和极性键(C—H键);苯中碳和碳之间是非极性键,C—H键是极性键,CCl4中只含C—Cl键,为极性键。

答案:①⑤　②③④　②

一、选择题(本题包括2小题,每小题5分,共10分)

5.分枝酸可用于生化研究,其结构简式如图。下列关于分枝酸的叙述正确的是 (　　)

A.分子中含有2种官能团

B.可与乙醇、乙酸反应,且反应类型相同

C.1 mol分枝酸最多可与3 mol NaOH发生中和反应

D.可使溴的四氯化碳溶液、酸性高锰酸钾溶液褪色,且原理相同

【解析】选B。A.分子中含有4种官能团:羧基、羟基、碳碳双键、醚键;B.可与乙醇、乙酸发生取代反应;C.1 mol 分枝酸最多可与2 mol NaOH发生中和反应,因为分子中只有2个羧基;D.可使溴的四氯化碳溶液、酸性高锰酸钾溶液褪色,但反应原理不相同,使溴的四氯化碳溶液褪色是加成反应,使酸性高锰酸钾溶液褪色是氧化反应。

6.(2020·淄博高二检测)有机化学中化合物的结构可用键线式表示,如CH2CHCH2Br,可表示为。则有机物的二氯代物有              (　　)

A.2种　　　B.3种　　　C.4种　　　D.5种

【解析】选C。首先根据等效氢的概念判断中只有1种氢原子,有1种一氯代物,然后一氯代物中氢原子的种类有4种,则二氯代物有4种,选C。

二、非选择题(本题包括1小题,共10分)

7.化合物A经李比希法测得其中含C 72.0%、H 6.67%,其余为氧,质谱法分析得知A的相对分子质量为150。现代仪器分析有机化合物的分子结构有以下两种方法:

方法一:核磁共振仪可以测定有机物分子里不同化学环境的氢原子及其相对数量。如乙醇(CH3CH2OH)的核磁共振氢谱有3个峰,其面积之比为3∶2∶1,如图1所示。现测出A的核磁共振氢谱有5个峰,其面积之比为1∶2∶2∶2∶3。

方法二:利用红外光谱仪可初步检测有机化合物中的某些基团,现测得A分子的红外光谱如图2所示。

已知:A分子中只含一个苯环,且苯环上只有一个取代基。试回答下列问题:

(1)A的分子式为________________; 

(2)A的结构简式为________________________(写出一种即可); 

(3)A的芳香类同分异构体有多种,请按要求写出所有符合条件的结构简式:

①分子中不含甲基的芳香酸:____________________; 

②含有酚羟基且苯环上只有两个对位取代基的芳香醛:________________________。 

【解析】(1)C、H、O的个数之比为∶∶≈9∶10∶2,根据相对分子质量为150,可求得其分子式为C9H10O2;(2)通过红外光谱图可知:A分子中除含一个苯环外,还含有、C—O—C和C—C,所以A的结构简式为

(合理即可);(3)①A的芳香类同分异构体中不含甲基的芳香酸是

;②含酚羟基,又因为含醛基,且只有两个取代基,所以对应的同分异构体是和

。

答案:(1)C9H10O2

(2)

(或

或)

(3)①

②、