高中鲁科版 (2019)第3章 有机合成及其应用 合成高分子化合物第2节 有机化合物结构的测定教学课件ppt

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写出下列各类物质的通式
当人们从自然界中得到某一新化合物并将其提纯以后，测定其结构就是最重要的工作了。只有确定了这种化合物分子的结构，才能进一步了解和应用这种化合物。 在有机合成中，对天然产物合成的首要工作就是测定目标化合物分子的结构；而对人工设计的有机化合物，在合成后也必须测定其结构才能确定它是否就是目标产物。 那么，怎样对有机化合物进行结构测定呢？结构测定在有机化学中有什么重要作用？
测定有机化合物结构的核心步骤是： 确定其分子式以及检测分子所含的官能团及其在碳骨架上的位置。
测定有机化合物结构的方法
从自然界提取或通过人工合成的有机化合物通常含有杂质，需要通过分离、提纯后才能进行结构测定，常见的分离、提纯有机化合物的方法有蒸馏、重结晶和萃取等。 蒸馏是分离、提纯液态有机化合物的常用方法。当液态有机化合物热稳定性较强、含有的杂质量较少且与杂质沸点有显著差别（一般大于 30 ℃）时，可用蒸馏的方法提纯。 重结晶是分离、提纯固态有机化合物的常用方法。其原理是利用有机化合物在某种溶剂中的溶解度受温度影响较大，加热使其溶解于溶剂中，再降温使其溶解度下降，从而析出该有机化合物的结晶。重结晶的关键包括：（1）选择适当的溶剂。杂质在此溶剂中的溶解度较大或较小，易于除去；被提纯的有机化合物在此溶剂中温度较高时溶解度较大，温度降低时溶解度迅速减小，冷却后易于结晶析出。（2）样品中杂质含量较少（通常质量分数小于 5%）。 萃取是富集有机化合物的常用方法，一般是用有机溶剂从水中萃取有机化合物，常用的与水互不相溶的有机溶剂有乙醚、石油醚、二氯甲烷等。萃取后通常还需要利用蒸馏、反萃取等方法将待测有机化合物与有机溶剂进一步分离。
分离、提纯有机化合物的常见方法
一、有机化合物分子式的确定
(1)确定有机化合物分子式的关键首先要知道该物质的组成元素、各元素的质量分数，必要时还要测定其相对分子质量。
(2)确定有机化合物的元素组成①碳、氢元素质量分数的测定——燃烧分析法
德国化学家李比希（1803～1873）
有机化合物元素组成的测定
氮元素质量分数的测定 ：将样品通入二氧化碳气流中，在氧化铜的作用下生成氮气；反应时可能有一部分氮转变成氮的氧化物，需借助金属铜将它们还原成氮气；然后测定氮气的总体积，计算出氮在有机化合物中的质量分数。
卤素质量分数的测定 ： 将含有卤素的有机化合物与发烟硝酸和固体硝酸银一同放入密闭体系中加热，卤素原子转变为卤素离子并生成卤化银沉淀。
氧元素质量分数的计算：
待测化合物分子吸收能量生成分子离子，分子离子具有较高能量，会按化合物自身特有的规律分裂，生成—系列确定组成的碎片离子，将所有不同质量的离子和各离子的多少按质荷比记录下来，就得到一张质谱图。质谱图记录了有机化合物分子裂解碎片形成的带正电荷的各种离子的质量大小。—般最大的离子质量就是有机化合物的相对分子质量。使用高分辨率质谱仪，用几微克的样品就可以准确地测出有机化合物的相对分子质量
质谱法测定有机化合物的相对分子质量
二、有机化合物结构式的确定
测定有机化合物的结构关键是： 确定分子的不饱和度及典型的化学性质，进而确定分子所含有的官能团及其所处的位置。
如何计算有机化合物分子的不饱和度
有机化合物分子的不饱和度为：式中：x 为碳原子数，y 为氢原子数。在计算不饱和度时，若有机化合物分子含有卤素原子，可将其视为氢原子；若含有氧原子，则不予考虑；若含有氮原子，就在氢原子总数中减去氮原子数。例如，分子式为C6H5NO2 的分子的不饱和度为
1. 有机化合物分子不饱和度的计算
2. 确定有机化合物的官能团
有机化合物中常见官能团的检验
实验 1  利用官能团性质鉴别有机化合物
实验用品 待鉴别试剂（乙醇溶液、乙醛溶液、乙酸溶液、苯酚溶液），FeCl3 溶液，NaHCO3 溶液，10% NaOH溶液，2% CuSO4 溶液，酸性 KMnO4 溶液； pH 试纸，试管，烧杯，胶头滴管，玻璃棒，酒精灯，表面皿，镊子，滤纸，试管夹等。
实验室中有四瓶标签模糊的无色溶液，分别是乙醇溶液、乙醛溶液、乙酸溶液和苯酚溶液。你能用化学方法将它们鉴别出来吗？
实验目的 通过官能团检验，鉴别乙醇、乙醛、乙酸、苯酚。
物质鉴别与检验 用于物质鉴别与检验的化学反应一般具有操作简便、现象明显、灵敏度高、专一性强的特点。 进行多种物质鉴别时，可优先利用各物质的独特性质鉴别；没有独特性质时，可利用某种性质对物质分组之后再进一步鉴别。
1. 分析乙醇、乙醛、乙酸、苯酚四种有机化合物中的官能团，明确含有这些官能团的有机化合物可能具有的性质。2. 选择用于鉴别四种物质的化学反应。3. 给样品编号，设计实验操作过程，用实验流程图说明操作方案，完成鉴别。
乙醇官能团为醇羟基——活泼金属反应、被强氧化剂氧化乙醛官能团为醛基——还原性（被弱氧化剂新制氢氧化铜氧化）乙酸官能团为羧基——酸性苯酚中的官能团酚羟基——与FeCl3溶液显色反应。
实验 2  推断有机化合物中的官能团（选做）
阿司匹林是一种历史悠久的解热镇痛药，用于治疗感冒、发热、头痛、牙痛、关节痛等，还能抑制血小板聚集。阿司匹林微溶于水，化学式为 C9H8O4，分子含有苯环，不含其他环状结构。阿司匹林中还有哪些官能团？你能用化学方法推断出来吗？
阿司匹林药片，酸性 KMnO4 溶液，FeCl3溶液，NaHCO3 溶液，稀硫酸，10% NaOH 溶液，2% CuSO4 溶液，铜丝；pH 试纸，试管，烧杯，胶头滴管，酒精灯，研钵，镊子，玻璃棒，表面皿，滤纸，三脚架，石棉网，试管夹等
利用化学方法检验阿司匹林中的官能团。
1. 列出阿司匹林分子中连接在苯环上的官能团组合的所有可能情况。
2. 选择易于检验的官能团，设计实验方法和顺序检验官能团的种类。
其他的官能团可能是碳碳双键、碳碳三键、羟基、羧基等。
取一片阿司匹林药片在研钵中研碎，取 1 小匙粉末于小试管中，加 2 毫升水溶解，取清液进行实验。
3.根据上述检验结果，判断还需要进一步检验的官能团种类，设计实验方案并完成检验。
综合上述实验结果推断，阿司匹林中的官能团是 _____________________。
1. 请写出你在实验 1 中使用的物质鉴别方案所涉及的化学反应的化学方程式。了解其他同学的鉴别方案，分析每种方案的优势或不足。2.在实验过程中你遇到异常现象了吗？如遇到过，请对异常现象作出合理的分析和解释。3. 你认为检验有机化合物中的官能团时，需要考虑哪些问题？
（1）红外光谱：测官能团种类。（2）核磁共振氢谱：测氢原子种类及数目。例如分子式为C2H6O的有机物的核磁共振氢谱只有一个特征峰，则结构简式为CH3OCH3，若核磁共振氢谱有3个特征峰，且峰面积之比为1∶2∶3，则结构简式为CH3CH2OH。
确定有机物结构的物理测试方法
CH3CH2OH的红外光谱
有机化合物结构测定方法的发展对有机化学的发展起了非常重要的作用。例如，19 世纪上半叶创建的有机元素定量分析方法，使有机化学正式成为一门新的学科；20 世纪初创立的有机化合物微量分析方法，使对一些含量极微的天然有机化合物的研究成为可能；20 世纪 50 年代创建的纸上色谱和气相色谱等方法，为分析氨基酸和蛋白质结构提供了有力的工具。另外，波谱方法也在化合物的结构测定方面非常重要。常用的四大谱中，紫外和可见光谱建立于 20 世纪 30年代，红外光谱建立于 20 世纪 40 年代，它们为化学家提供了识别有机化合物生色团和官能团的有效方法；质谱建立于 20 世纪 50 年代，它可给出有机化合物的相对分子质量，并且通过裂解方式提供分子的结构信息；核磁共振发展于 20 世纪 60 年代，它有助于确定有机化合物分子的骨架结构。但是，这四种测定方法能提供的结构信息仍然有限，利用它们难以测定有机化合物分子的空间结构。产生于 20 世纪初的 X 射线衍射法则能够弥补上述不足，目前利用该方法甚至能够测定出一些结构非常复杂的生物大分子的空间结构。波谱技术及 X 射线衍射技术在不断创新发展，由于其用样量少、快速、方便，结构信息丰富，目前已成为有机化合物结构测定中常用的重要手段。
有机化合物结构测定方法的发展
案例：某种医用胶的结构测定
在《探秘神奇的医用胶》微项目学习中，我们了解了 α- 氰基丙烯酸酯类医用胶的性能及结构特点，并尝试对其结构进行改良。下面，我们将探讨如何测定这类医用胶的分子结构。
1. 测定实验式。燃烧 30.6 g 某种医用胶样品，实验测得生成70.4 g 二氧化碳、19.8 g 水、2.24 L 氮气（已换算为标准状况），请通过计算确定其实验式。
①计算各元素的物质的量
实验式为C8H11NO2。
由质谱分析法测定出该样品的相对分子质量为 153.0，请确定其分子式。
由相对分子质量确定分子式 某仅含碳、氢、氧三元素的有机化合物，若n(C)∶n(H)∶n(O) = 1∶ 2∶ 1，则其实验式为 CH2O，式量为 30。 进一步测出有机化合物的相对分子质量后，就可以根据其相对分子质量对实验式式量的倍数来确定分子式。若上例中样品的相对分子质量为 60，是 CH2O 式量（30） 的 2 倍，则该有机化合物的分子式就是 C2H4O2。
设该化合物的分子式为(C8H11NO2)n，则n＝ 1，则该化合物的分子式为C8H11NO2。
1. 计算该样品分子的不饱和度，推测分子中是否有苯环、碳碳双键、碳碳三键或碳氧双键。
2. 用化学方法推断样品分子中的官能团。利用该医用胶样品分别做如下实验：① 加入溴的四氯化碳溶液，橙红色溶液褪色；
② 加 入 (NH4)2Fe(SO4)2 溶 液、 硫 酸 及KOH 的甲醇溶液，无明显变化；③ 加入NaOH 溶液并加热，有氨气放出。请依据上述实验现象推测该样品分子可能含有哪些官能团。
硝基和氰基的检验(NH4)2Fe(SO4)2 溶液、硫酸及 KOH 的甲醇溶液可检验硝基 (-NO2) 的存在，判断依据是Fe2+被氧化为Fe(OH)3，混合液呈现红棕色。 加入强碱水溶液并加热可检验氰基（-CN）的存在，判断依据为有氨气放出。
a．加入溴的四氯化碳溶液，橙红色褪去，说明可能含有 键或—C≡C—键。b．加入(NH4)2Fe(SO4)2溶液、硫酸及KOH的甲醇溶液，无明显变化，说明不含有—NO2。c．加入NaOH溶液并加热，有氨气放出，说明含有—CN。
3. 波谱分析。（1）测得医用胶样品的红外光谱图如下
（2）测得医用胶样品的核磁共振氢谱图如下：
样品的核磁共振氢谱图和核磁共振碳谱图提示：该有机化合物分子含有 等基团。据此可以推测出样品分子的官能团在碳链上的位置。
4. 综上所述，该样品分子的结构简式为