苏教版 (2019)选择性必修3第二单元 科学家怎样研究有机物多媒体教学ppt课件

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1.能说出李比希的基团理论、甲烷的自由基反应、同位素示踪法、乙烯加成的反应机理。2.记住常见的基团;会运用质谱图、核磁共振波谱和红外光谱判断有机物的结构。3.宏观辨识与微观探析:通过质谱、红外光谱、核磁共振波谱等现代仪器测定、探析有机物的分子组成、结构,揭示有机物结构的异同;能认识仪器分析对确定物质微观结构的作用。证据推理与模型认知:了解研究有机反应机理的基本方法,形成有机化学研究的思维模型,并能根据有机物的结构特点推出有机物反应的机理。
一、有机物结构的研究1.有机物的结构。(1)在有机物分子中,原子主要通过共价键结合在一起。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。(2)1831年,德国化学家李比希提出了“基团理论”。常见的基团有:羟基(—OH)、醛基(—CHO)、羧基(—COOH)、氨基(—NH2)、烃基(—R)等,它们有不同的结构和性质特点。
2.测定有机物结构的分析方法。(1)核磁共振波谱。在1H核磁共振谱中:①特征峰的个数就是有机物中不同化学环境的氢原子的种类;②特征峰的面积之比就是不同化学环境的氢原子的个数比。如乙醚(CH3CH2OCH2CH3)分子中有10个氢原子,在1H核磁共振谱中会出现2组峰,峰的面积之比为3∶2。(2)红外光谱。①原理:红外光谱是利用有机化合物分子中不同基团在红外光辐射下的特征吸收频率不同,测试并记录有机物对一定波长范围的红外光吸收情况。②应用:根据对红外光谱的分析,可以初步判断该有机物中具有哪些基团。
(3)质谱法。①原理:质谱法是用高能电子束轰击有机物分子,使之分离成带电的“碎片”,不同的带电“碎片”的质量(m)和所带的电荷(z)的比值不同,就会在不同的 处出现对应的特征峰。②分子离子峰与碎片离子峰:a.由分子失去1个电子产生的离子称为分子离子,分子离子对应的吸收峰称为分子离子峰。b.分子离子可以进一步发生化学键的断裂生成碎片离子,碎片离子对应的吸收峰称为碎片离子峰。③应用:利用分子离子峰的最大值确定有机物的相对分子质量。
【自主思考1】 许多有机物元素组成相同,但性质上却差别很大的原因是什么?提示:在有机物分子中,原子主要通过共价键结合在一起。原子之间结合方式或连接顺序的不同导致了所形成物质在性质上的差异。【自主思考2】 测定有机物结构的方法有化学分析法和现代仪器分析法,各有什么优缺点?提示:化学分析法以官能团的特征反应为基础,当结构比较复杂时,往往耗费大量的时间和精力。现代仪器分析法有质谱、红外光谱、1H核磁共振谱、紫外光谱等,不仅可以分析结构简单的有机小分子,还能分析蛋白质等有机大分子,而且具有微量、快速、准确、信息量大等特点。
二、有机化学反应的研究1.甲烷与氯气取代反应的反应机理。(1)反应机理:自由基型链反应。
Cl2、CH4为反应物·Cl、·CH3为自由基 HCl、CH3Cl为生成物
(2)反应产物:共有CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4和HCl五种。
2.同位素示踪法研究酯的水解反应。(1)方法:将乙酸乙酯与 在H2SO4催化下加热水解,检测18O的分布情况,判断酯水解时的断键情况。
因此可以判断,酯在水解过程中断开的是酯中的①键,水中的—18OH连接在①键上。
3.乙烯与溴化氢加成反应的反应机理。(1)反应机理:离子型反应。①溴化氢电离产生氢离子和溴离子;②氢离子吸引碳碳双键中的一对电子,使这一对电子从碳碳双键之间转移
【自主思考3】 丙烯与溴化氢加成可以得到什么产物?试解释产物是怎样形成的。
【效果自测】 1.判断正误,正确的画“√”,错误的画“×”。(1)有机物中化学键全部是共价键。(　　)(2)可以利用同位素示踪法研究甲烷取代反应的机理。(　　)(3)同位素示踪法是研究反应机理的唯一方法。(　　)(4)OH-和—OH的结构相同,均是醇的官能团。(　　)(5)1H核磁共振谱图中,有几组峰就说明有几个氢原子。(　　)(6)红外光谱图可用于判断官能团的种类和共价键种类。(　　)(7)同位素示踪法可以用来确定有机反应中化学键的断裂位置。(　　)(8)通过对有机反应机理的研究可以成功合成具有特殊功能的有机物。(　　)
则下列说法正确的是(　　)。A.可以得到纯净的CH3ClB.产物中最多的是HClC.该反应需一直光照D.产物中CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4物质的量相等
解析:由反应机理②知,·Cl与烃中的氢原子结合生成HCl,故产物中有机物除CH3Cl外还有CH2Cl2、CHCl3、CCl4,物质的量无法确定,最多产物为HCl,故A、D项错误,B项正确。由反应机理②③知CH4+Cl2 CH3Cl+HCl,·Cl起催化作用,故一旦光照下产生·Cl,不需再光照,反应也会进行下去,C项错误。
1.如何判断有机物分子中不同化学环境的氢原子种类?提示:(1)依据1H核磁共振谱。(2)可利用等效氢法确定不同化学环境的氢原子。①在同一个C上的氢等效。②对称C上的氢等效。③在同一个C上相同取代基上的氢等效。若为等效氢,则属于同种化学环境的氢原子。
2.下图是分子式为C2H6O的两种有机物的1H核磁共振谱图,你能分辨出哪一幅是乙醇的1H核磁共振谱图吗?请简要说明你的判断依据。
提示:乙图是乙醇的1H核磁共振谱图。乙醇分子中有3种不同化学环境的氢原子,如果在1H核磁共振谱图上观察到氢原子给出的吸收峰只有一组,那么该物质为CH3OCH3;如果在1H核磁共振谱图上观察到氢原子给出的吸收峰有三组,且强度之比为3∶2∶1,那么该物质为CH3CH2OH。因此,由1H核磁共振谱图可以推知该有机物分子有几种不同化学环境的氢原子及它们的数目。
3.请你根据有机物C3H6O2的红外光谱图,判断该有机物的结构简式。
提示:CH3COOCH3。
确定分子式的方法。1.直接法:直接求出1 ml有机物中各元素原子的物质的量,即可推出分子式。例如,给出一定条件下的密度(或相对密度)及各元素的质量比,求算分子式的途径:密度(或相对密度)→摩尔质量→1 ml气体中各元素原子的物质的量→分子式。2.实验式法:根据有机物中各元素的质量分数求出分子组成中各元素的原子个数之比(实验式),分子式为实验式的整数倍,利用物质的相对分子质量可确定其分子式。
李比希还建立了对含氮、硫、卤素等有机物的元素定量分析法,这些方法为现代元素定量分析奠定了基础。
【例题1】 通常将一定量的有机物充分燃烧转化为简单的无机物,根据产物的质量确定有机物的组成。如图所示是用燃烧法确定有机物分子式的简易装置。
(1)使产生的O2按从左到右的方向流动,则所选装置中各导管的正确连接顺序是　　　　　　　　　　　　(每个仪器仅用一次)。 (2)装置C中浓硫酸的作用是　 。 (3)燃烧管中CuO的作用是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 (4)若准确称取0.69 g样品(只含C、H、O三种元素中的两种或三种),充分燃烧后,A管质量增加1.32 g,B管质量增加0.81 g,则该有机物的实验式为　　　　。 (5)用质谱仪测定其相对分子质量,得如图1所示的质谱图;用核磁共振仪器处理该化合物,得到如图2所示谱图,图中3组峰的面积之比是1∶2∶3,则有机物可能的结构简式为　　　　　　　　。 
答案:(1)g→f→e→h→i→c(或d)→d(或c)→a(或b)→b(或a)(2)干燥O2(3)确保有机物中的碳元素全部转化为CO2(4)C2H6O(5)CH3CH2OH
解析:根据反应原理可知,该实验要成功必须满足:①制备O2供燃烧使用;②O2要纯净干燥;③保证碳元素全部转化为CO2,氢元素全部转化为H2O,并在后面装置中被完全吸收。由此可知装置的连接顺序。
(5)由质谱图的数据可知:该物质的相对分子质量为46,即该有机物的相对分子质量与实验式C2H6O的相对分子质量相等,故样品的分子式为C2H6O。由1H核磁共振谱图可知该有机物分子中有三种不同化学环境的氢原子,故该有机物的结构简式不是CH3—O—CH3而是CH3CH2OH。
由分子式确定有机物结构式的方法
(1)根据1H核磁共振谱,分析氢的种类和数目。有几组峰,就有几种不同化学环境的氢原子。(2)根据红外光谱,分析有机物所含的化学键或官能团。(3)根据有机物性质推断官能团:有机物的官能团都具有特征化学性质,故可以通过化学反应对其进行鉴别和确定,从而推断官能团,区分开同分异构体。因此要熟记常见官能团的特征性质。(4)直接推出:C2H6、C3H8、CH4O等不具有同分异构体的可直接推出。
【变式训练1】 某研究性学习小组为确定某蜡状有机物A的结构和性质,他们拟用传统实验的手段与现代技术相结合的方法进行探究。请你参与过程探究。Ⅰ.实验式的确定。(1)取样品A用燃烧法测定,发现燃烧后只得到0.125 ml CO2和0.15 ml H2O。据此得出的结论是　　　　　　　　　　　　　　　　。 (2)另一实验中,取3.4 g蜡状有机物A在3.36 L(标准状况下,下同)氧气中完全燃烧,两者均恰好完全反应,生成2.8 L CO2和液态水。由此得出A的最简式是　　　　。 
Ⅱ.结构式的确定(经测定A的相对分子质量为136)(3)取少量样品熔化,加入钠有氢气放出,说明A分子中含有　　　　。 (4)进行核磁共振,发现只有两组特征峰,且峰面积比为2∶1,再做红外光谱,发现与乙醇一样透过率在同一处波数被吸收。图谱如下:
则A的结构简式为　　　　。 
答案:Ⅰ.(1)分子中n(C)∶n(H)=5∶12,最简式为C5H12Ox(2)C5H12O4Ⅱ.(3)羟基(4)C(CH2OH)4
解析:(1)取样品A用燃烧法测定,发现燃烧后只生成CO2和H2O,某次燃烧后,经换算得到了0.125 ml CO2和0.15 ml H2O,说明该有机物中含有C、H元素,可能含有O元素,分子中C、H元素的物质的量之比为n(C)∶n(H)=0.125 ml∶(2×0.15) ml=5∶12,最简式为C5H12Ox。
(2)生成CO2的物质的量为 =0.125 ml,则生成水的物质的量为0.15 ml,3.4 g有机物中氧元素的质量为3.4 g-0.125 ml×12 g·ml-1-0.15 ml×2×1 g·ml-1=1.6 g,则氧元素的物质的量为0.1 ml,分子中n(C)∶n(H)∶n(O)=5∶12∶4,故最简式为C5H12O4。
(3)取少量样品熔化,加入钠有氢气放出,A分子中不含有不饱和键,说明A分子中含有羟基。(4)进行核磁共振,发现只有两组特征峰,且峰面积比为2∶1,说明结构中含有两种氢原子,数目分别为4和8,再做红外光谱,发现与乙醇一样透过率在同一处波数被吸收,说明结构中含有醇羟基,从红外光谱图可以看出分子中含有O—H、C—O、C—H键,该有机物的结构简式为C(CH2OH)4。
1.甲烷和氯气光照下发生取代反应、乙烯与溴化氢发生加成反应,这两个反应的反应机理是否相同?研究有机反应的机理有什么意义?提示:不相同。甲烷和氯气的反应是自由基型链反应,而乙烯与溴化氢的反应是离子型反应。研究反应机理,有助于我们更好地认识反应的实质,更恰当地运用有机反应。
2.将CH3COOH和H18O—C2H5混合发生酯化反应,已知酯化反应是可逆反应,反应达到平衡后18O存在于哪些物质中?
1.自由基反应。自由基反应:通过化合物分子中的共价键均裂成自由基而进行的反应。反应大致分为三个阶段:(1)引发:通过热辐射、光照、单电子氧化还原法等手段使分子的共价键发生均裂产生自由基的过程称为引发。 (2)增长:引发阶段产生的自由基与反应体系中的分子作用,产生一个新的分子和一个新的自由基,新产生的自由基再与体系中的分子作用又产生一个新的分子和一个新的自由基,如此周而复始、反复进行的反应过程称为
解、重排、氧化还原、歧化等反应。自由基反应一般都进行得很快。这类反应在实际生产中应用很广。如氯化氢的合成、汽油的燃烧、单体的自由基聚合等。
2.丙烯加成HBr的反应机理。(1)丙烯的自由基加成反应机理(有过氧化物存在)。
(2)丙烯的离子型加成反应。
3.乙烯生成聚乙烯的反应机理:
【例题2】 CH3CH2CH3与Cl2反应能得到CH3CH2CH2Cl和CH3CHClCH3两种一氯代物,请你推测该自由基反应的历程。
【变式训练2】 已知CH4与Cl2反应的有机产物中除CH3Cl外,还有CH2Cl2、CHCl3、CCl4。下列关于生成CH2Cl2的过程中,可能出现的是(　　)。