高中化学教材选择性必修3有机化学基础（苏教版）.pdf

ISBN 978-7-5499-9225-69 787549 992256定价： 13.33元审批号： 苏费核 （2021年） 0243号举报电话： 12315主 编 王祖浩副 主 编 吴 星 刘宝剑 王云生本 册 主 编 王祖浩本册副主编 张天若亲爱的同学们，欢迎学习高中化学选择性必修课程有机化学基础。初中的化学学习经历，虽然只是化学的启蒙，但大家已经初步了解了化学发展的历程，领略了化学科学的魅力，体验了探究的乐趣。通过高中化学必修课程的学习，我们进一步领悟了化学博大精深的科学思想，理解了化学与人类文明的密切关系，学到了更多有趣、有用的化学知识。化学是在原子、分子水平上研究物质的组成、结构、性质、转化及其应用的一门基础学科。物质结构决定物质性质，而物质性质直接关系到物质的用途。时至今日，化学家们积累起来的知识虽不能解决与社会发展有关的全部问题，但也结出了丰硕的果实。与人类已知的几百万种生物相比，已知的化合物达上亿种，近年来每年创造的新物质就达数百万种。化学不仅与制药、石油、橡胶、造纸、建材、钢铁、食品、纺织、皮革、化肥等传统行业荣衰与共，还带动了信息、能源、航天、生命等高科技产业的发展。据统计，活跃在全球与化学相关领域中的科学家、工程技术人员，是一支最为庞大的研究队伍。为了保卫地球，化学家们开创了绿色化学时代。“绿色发展”已经成为我国可持续发展的基本国策。我们正在努力并且已经能够做到：使天空更清洁，从源头防治水污染，修复污染的土地，建构清洁低碳、安全高效的能源体系，实现绿色低碳的生活方式我细心观察过今天的高中学生，欣喜地发现，随着时代的进步，同学们的视野更为开阔，思维愈发活跃。教师们常常在为高中生各种新奇的创意与问题惊讶甚至烦恼的同时，不能不叹服他们对化学内涵的深刻理解，以及表现出来的巨大思维潜力。有了如此乐观的学习基础，在高中化学选择性必修课程的学习中，同学们能更多地体验实验探究的乐趣，掌握科学研究的方法，感受化学在解决人类面临的重大挑战时所作出的贡献。依据普通高中化学课程标准（2017年版，2020年修订），我们积极探索化学学习对促进学生核心素养发展的重要影响，从内容、思路和活动等多个方面对化学教材进行了修订，力求体现教材的全面育人功能。有机化学基础作为继化学必修课程之后的选择性必修课程，在继承科学传统的基础上，更好地融合了学生的认知特征和化学发展的线索，建构了新的内容体系，介绍了有机化学的发展及研究思路、有机物的结构与分类、石油化工的基础物质、生活中常用的有机物、药物合成的重要原料、生命活动的物质基础，结合大量的事例说明有机物是人类赖以生存的重要物质基础以及它对促进社会可持续发展的重要意义，帮助同学们学好有机化学。教材的主要栏目设置了丰富多彩的学习活动， 帮助同学们在阅读过程中更好地理解化学。【温故知新】在新旧知识之间架起桥梁，引导同学们回顾已有知识和思维经验，寻找与新学知识之间的密切联系，激发探究新知识的欲望。【交流讨论】结合学习目标设置了一系列与内容有关的问题情境，引导同学们展开讨论，为理解知识和深化思维提供基础。【基础实验】要求同学们在学习中同步完成的必做实验，不仅要了解这些实验的基本原理，还要学会动手操作，切实提高自己观察、记录和分析实验现象的能力。【实验探究】引领同学们积极投身更多的实验活动，熟悉实验流程，设计探究方案，独立或合作完成实验操作，记录实验现象，基于实验证据进行推理。【观察思考】教师展示实验现象、模型、图表等，提出相关问题激发同学们思考，尝试解析其中蕴涵的化学原理，帮助同学们开启化学思维。【学以致用】在教材阐述新知识之后插入典型问题，启迪同学们运用所学知识去解决实际问题，提高知识的迁移能力。【方法导引】结合学习内容，介绍解决相关问题的一般方法和特殊方法，认识科学方法对化学学习和研究的重要性，帮助同学们形成思考和解决化学问题的正确思路。【调查研究】通过查阅资料、考察或访谈，收集生活和生产实际中的化学问题，运用已学知识和方法揭示化学现象的本质，体验化学知识应用的价值。【生活向导】运用化学原理解释生活中的一些常见现象，提供相关的学科知识背景，帮助同学们建立合理选择和正确使用物质的意识。【选择决策】请同学们依据所学的知识和方法，对化学、技术与社会等方面的开放性问题进行分析、权衡，提出自己的看法，并作出合理判断。【拓展视野】提供与学习内容相关的更多生动的素材，帮助同学们在完成学习任务之余，进一步开拓视野，领略化学的奇妙和魅力。【科学史话】选取相关的、意义重大的化学史实，生动地还原其发展过程，帮助同学们从科学家的角度去思考问题，感受中外科学家的创新精神。【学科提炼】以简洁的语言介绍与化学核心知识相关的基本原理、思想方法等，尝试探索化学科学的本质特点，揭示化学知识的教育功能。【批判性思维】通过对教材知识涉及的学科问题、科学实验、社会性议题的分析，提升同学们质疑批判和开放性思维的品质。【跨学科链接】运用化学知识解释生物、物理、能源和医学等相关领域的问题，从多角度展现化学科学的价值，提高同学们分析和解决复杂问题的能力。化学，伴随我们一生的科学。在过去的岁月中，我们渴望了解化学，为此我们有过喜悦，也有过失望，但探索的步伐一直没有停歇。今天，当我们以一种新的姿态学习高中化学，你眼中的物质世界将会变得更加绚丽多彩！让我们充满信心，用智慧和勤奋去迎接新的学习任务，探索更多的科学奥秘，攀登更高的科学台阶，创造更加美好的明天！ 王祖浩 2021年3月有机化学的发展及研究思路有机物的结构与分类石油化工的基础物质烃第一单元 有机化学的发展与应用 / 2第二单元 科学家怎样研究有机物 / 7第一单元 有机化合物的结构 / 22第二单元 有机化合物的分类和命名 / 37第一单元 脂肪烃的性质及应用 / 52第二单元 芳香烃 / 64专题1专题2专题312151生活中常用的有机物烃的含氧衍生物药物合成的重要原料卤代烃、胺、酰胺生命活动的物质基础糖类、油脂、蛋白质第一单元 醇和酚 / 78第二单元 醛 羧酸 / 92第一单元 卤代烃 / 110第二单元 胺和酰胺 / 119第三单元 有机合成设计 / 126第一单元 糖类和油脂 / 140第二单元 蛋白质 / 152专题4专题5专题677109139附录 中英文名词对照表 / 170 有机化学是研究有机化合物组成、结构、性质、制备和应用的一门学科。有机化合物对于人类的健康、科学技术的进步和社会经济的发展都有着十分重要的作用。从获取和提纯有机化合物，到分析它们的组成、结构和性质，再到用简单原料制备较为复杂的有机物，人们对有机化学的认识经历了一个漫长的过程。本专题概述了有机化学的发展和应用，以及科学家研究有机物的基本思路和方法。有机化学基础2第一单元有机化学的发展与应用有机化学经历了漫长的发展过程。我们的祖先早在3 000多年前就已经用煤作为燃料，2 000多年前就掌握了石油和天然气的开采技术，从植物中提取染料、药物和香料等物质也已经有了上千年的历史。19世纪初期，瑞典化学家贝采利乌斯提出了有机化学概念，使有机化学逐渐发展成为化学的一个重要分支。人类对物质结构认识的不断深入和现代分析技术的不断发展，给有机化学注入了新的活力。请列举一些生产、生活中常见的有机化合物应用的实例，评价它们对人类社会生活的影响 。温故知新21世纪的今天，各种合成的有机化合物不仅遍布于我们生活的每个角落，也广泛应用于生产、国防及科研的各个领域。有机物是人类赖以生存的重要物质基础，人类的活动时刻离不开有机物。在人类衣食住行所需的物品中，有许多来源于天然有机物，如糖类、油脂、蛋白质、石油、天然气和天然橡胶等。人类对生活质量的要求越来越高，自然资源却不断减少，越来越多的合成有机物进入了人类的生活，如塑料、合成纤维、合成橡胶、合成药物等。现代社会对人工合成的有机物的需求正日益增强。目标预览 通过本单元内容的学习，要求同学们努力达到： 能结合实例说明有机化学发展的过程和趋势；认识人工合成有机化合物对提高人类生活质量的重要意义；能举例说明有机化合物与生命活动的密切关系；能收集资料阐述与有机化学相关的社会性议题，并作出有科学依据的判断和评价。图 1-1 瑞典化学家贝采利乌斯（J. J. Berzelius, 17791848）有机化学的发展及研究思路专题13你在日常生活中接触到哪些有机物？归纳这些有机物的一些性质和用途，并以“人工合成的有机物对我生活的影响”为话题，分享你的看法。图 1-2 人类生活离不开有机物人类认识和利用有机化合物的年代很早，远在古代就已经掌握了酿酒、制醋、染色等技术，但对有机物的制备却长期缺乏正确的认识。19世纪中叶以前，人们认为有机物只能由动物或植物产生，不可能通过人工的方法将无机物转变成有机物，这种“生命力论”的思想曾一度扼杀了许多化学家的创造力。交流讨论打破无机物和有机物界限的化学家维勒1828年，德国化学家维勒在制备无机盐氰酸铵（NH4CNO）时得到了一种结晶物。在大量实验的基础上，他指出： “这种结晶物与尿素CO(NH2)2对比，毫无疑问是绝对相同的物质。不用人或狗的肾脏也可以得到尿素。”此后，其他化学家又以无机物为原料合成了醋酸、苹果酸、甲烷、乙炔等有机化合物，使人们彻底抛弃了“生命力论” 。维勒的出色工作为有机化学成为一门独立的分支科学奠定了重要基础。科学史话图 1-3 德国化学家维勒（F. Wohler, 18001882）有机化学基础4由于生活与生产的需要，人们学会了合成、分离和提纯有机物。迄今为止，人类发现和合成的有机化合物已超过1亿种。从1995年开始，每年新发现和新合成的有机化合物超过100万种。现在，有机化学已经与其他学科融合形成了分子生物学、药物化学、材料科学以及环境科学等多个新兴学科，应用前景十分广阔。有机物对人类的生命活动与健康的影响生命体中的许多物质，如细胞中存在的糖类、脂肪、氨基酸、蛋白质和核酸等都是有机物。有机物在维持生命活动的过程中发挥着重要的作用。例如，依靠酶的催化作用，人体将食物消化，并将一些简单分子合成为生命活动所需的生物分子；具有遗传功能的DNA能够把遗传信息传递给下一代。药物化学已经成为化学的一个重要领域，世界上每天都会合成出许多种经过药理试验的备选药物，大多数的备选药物是有机化合物。利用合成药物治疗疾病已经成为人类文明进步的重要标志，使用合成药物能够帮助人类战胜疾病，大大延长人类的寿命。图 1-4 DNA的双螺旋 结构模型我国科学家在世界上首次人工合成的蛋白质结晶牛胰岛素世界上第一次用人工方法合成的蛋白质结晶牛胰岛素，于1965年在中国诞生。这项工作由中国科学院生物化学研究所、有机化学研究所和北京大学化学系三家单位协作完成。牛胰岛素是由21个氨基酸组成的A链与由30个氨基酸组成的B链，通过3个二硫桥键结合而成的蛋白质。它的合成须按顺序完成约220个反应。科学家们齐心协力，不断探索合成条科学史话跨学科链接随着有机化学的发展，人类对DNA双螺旋结构和功能的认识不断深入，人类对自身的认知越来越清晰，运用基因工程技术治疗疾病已经不再是梦想，基因技术的发展将会对人类的未来产生更直接、更深远的影响。有机化学的发展及研究思路专题15件和改进合成路线，终于在世界上首次成功地用有机化学的方法以氨基酸为原料合成了这个具有生物活性的蛋白质，使人类在认识生命、揭开生命奥秘的伟大进程中迈出了一大步，促进了生命科学的发展，标志着人类合成蛋白质时代的开始。结晶牛胰岛素的人工合成于1982年获国家自然科学成果一等奖。材料科学是一门新兴的交叉学科，是发展众多高科技领域的基础和先导，具有独特物理、化学性质的有机功能材料对人类生产、生活产生了直接而深远的影响。例如，选择液晶材料制作电脑显示屏，选择耐高温、高强度的碳纤维用于航天服的制作。又如，人工心脏中含有甲基硅橡胶、聚氨酯等多种有机功能材料。环境科学是在人们亟待解决环境问题的社会需求下迅速发展起来的，有机化学为研究和改善环境图 1-6 特种功能有机材料图 1-5 结晶牛胰岛素及其结构示意图质量作出了积极贡献。例如，甲醇汽油、乙醇汽油等含氧燃料的开发和应用在一定程度上应对了石油资源短缺的问题，并且含氧燃料燃烧更加完全，减少了对环境的污染。又如，植物中的纤维素和木质素（非纤维素，一种含有苯环结构的芳香族化合物）结合在一起，在分离出的木质素中加入适量的固化剂后喷洒在沙丘表面，可有效固定表面沙粒和土壤水分，提高沙漠植树的成活率。图 1-7 用木质素固沙喷洒木质素后沙丘上出苗整齐按不同浓度喷洒木质素有机化学基础61. 1828年，德国化学家维勒在制备无机盐氰酸铵时得到了尿素，第一次通过人工的方法将无机物转变成有机物。下列关于尿素的叙述不正确的是（ ）A. 氰酸铵属于离子化合物，尿素属于共价化合物B. 尿素是人体新陈代谢的一种产物C. 工业上用氨气和二氧化碳在高温高压下合成尿素的反应是氧化还原反应D. 尿素与氰酸铵（NH4CNO）互为同分异构体2. 下列关于某些社会热点问题的说法中，不正确的是( )A. 禁止使用含铅汽油是为了提高汽油的燃烧效率B. 甲醇超标的酒不能饮用C. 进入大气的氟氯代烃会破坏高空臭氧层D. 光化学烟雾的产生与人为排放的烃、氮氧化物有关3. 石油是一种重要的能源，我国面临着石油短缺的问题。从可持续发展的角度看，以下解决能源问题的做法不恰当的是（ ）A. 大量使用木材作燃料 B. 用液氢代替汽油 C. 开发风能 D. 开发地热能4. 塑料、合成橡胶和合成纤维都是聚合物，这些物质都是人工合成的，目前人们已经合成出6万种以上的聚合物。塑料制品是我们生活中接触最多的聚合物之一。请查阅资料或根据生活经验，指出日常生活中常见的塑料制品，并说明它们的使用对人类生活质量和生存环境的影响。5. 结合有机化学发展史中某一重要的发现，阐述有机化学家思维方法的创新及其影响。6. 有机化学研究与生命科学发展的关系如何？请查阅有关资料，阐述你对它们过去、现在以及未来关系的认识。 理解应用查阅有关资料，了解有机化学材料（如医用材料、光功能材料、工程材料、黏合剂、涂料等）的组成、性质、功能及其发展现状。调查研究大量有机物的合成和使用，极大地改变了人们的生活习惯，提高了人类的生活质量，从某种意义上讲，化学家为人类社会的可持续发展创造了一个新的物质世界。有机化学的发展及研究思路专题17第二单元科学家怎样研究有机物我们知道有机化合物（organic compound）是指含有碳元素的化合物，其中绝大多数含有氢元素，很多有机化合物还含有氧元素、氮元素、卤族元素、硫元素和磷元素等。有机物与无机物除了组成上存在差异外，在结构和性质上也有明显的不同。有机化合物的组成和结构特点，决定了大多数有机物与无机物具有不同的性质。例如，多数有机物易溶于极性较小的溶剂，熔点、沸点较低，容易燃烧，受热易分解，发生化学反应时其反应速率通常较小，副反应较多。人类对有机化合物的研究经历了“从天然的动植物中提取、分离出一些纯净物” 到 “研究有机化合物的组成、结构、性质和应用” ，再到 “根据需要对有机化合物分子进行设计和合成”等不同的发展阶段。目前，有机化学在不同领域与其他学科相融合，开辟出了新的更为广阔的研究空间。目标预览 通过本单元内容的学习，要求同学们努力达到： 认识分离和提纯有机化合物的常见方法，能结合实例说明有机分子结构测定常用的仪器分析方法，能运用现代分析技术对简单有机物的结构进行分析和表征，能列举有机化学反应历程研究的方法和意义。从天然动植物中提取有机化合物时，得到的往往是含有杂质的粗产品。然而，要鉴定和研究未知有机化合物的组成和结构，需要更纯净的有机化合物。由于有机化学反应速率小、副反应多，工业生产及实验室中合成的有机化合物大多也不是纯净物，它们往往混有未反应的原料或反应副产物，必须经过分离、提纯才能得到纯品。 有机化合物的分离、提纯有机化合物的分离、提纯有机化合物粗品分离、 提纯的方法很多， 基本原理都是利用被提纯物与杂质性质的差异达到分离的目的。 例如， 提纯固体有机物可采用重结晶法， 提纯液体有机物常用蒸馏或萃取等方法。方法导引有机化学基础8将混合物中第一次结晶得到的晶体溶于一定量的溶剂中，再进行蒸发（或冷却）、结晶、过滤，如此的多次操作称为重结晶。有些物质的提纯，需经过重结晶才能使产品纯度合乎要求。重结晶是利用混合物中各组分在同一溶剂中的溶解度不同而使它们相互分离，因此首要工作是选择恰当的溶剂。首先，杂质在此溶剂中溶解度要很小或很大，易于除去；其次，被提纯的有机物在此溶剂中的溶解度受温度影响较大，比如有机物在温度较高的溶剂中溶解度较大，在温度较低的溶剂中溶解度较小，冷却后易于结晶析出。萃取分为固-液萃取和液-液萃取两种，是利用混合物中各组分在萃取剂中的溶解度不同而使它们相互分离的操作。液-液萃取是向待分离溶液中加入与之不互溶（或部分互溶）的萃取剂，形成共存的两个液相。一般是用有机溶剂从水中萃取某种组分，如用四氯化碳萃取溶解在水中的碘，几乎所有的碘都溶解到四氯化碳中，碘得以与大量的水分离。常用的与水不互溶的有机溶剂有乙醚、石油醚和二氯甲烷等。分液漏斗是液-液萃取常用的操作仪器。固-液萃取是利用溶剂使固体物料中的可溶性物质溶解于其中而加以分离的操作，又称浸取。如从植物种子中提取食用油，从甜菜中提取糖。 蒸馏是分离、提纯液态有机物的另一种常用方法，它是利用混合物中各组分沸点不同（一般有机物与杂质的沸点应相差30 以上），达到分离液态混合物的目的。当液态混合物中含有多种沸点不同的有机物组分时，经过多次汽化和冷凝可以将这些成分（馏分）逐步分离，这一过程称为分馏，如石油的分馏等。与萃取和重结晶相比，蒸馏的优点是不需要使用混合物组分以外的其他溶剂，不易引入新的杂质。当需要提纯的组分与其他组分沸点相近时，需经多次蒸馏方能获得较纯的样品。萃取、蒸馏是分离液体混合物的两种常用方法。选用的依据是什么？操作上应注意什么？温故知新实验室中欲使用图1-8所示装置蒸馏石油，请设计实验的操作步骤，分析装置的结构，推测实验现象，并完成实验。实验探究 石油醚是常用的有机溶剂，沸点较低，易燃易爆，使用时要注意安全。冷水蒸馏烧瓶温度计冷凝管牛角管锥形瓶图 1-8 实验室蒸馏石油的实验装置有机化学的发展及研究思路专题19科学家研究有机化合物时，需要知道该化合物由哪些元素组成，各元素的质量分数是多少。由此，科学家就能够知道有机化合物的最简式，比如乙醇的最简式为C2H6O。在日常生活中，我们经常见到有机物燃烧。有机物燃烧的产物能帮助我们获取多方面的信息，这些信息为我们研究有机物的组成提供了重要的依据。现在，人们常借助元素分析仪来确定有机化合物的组成。元素分析仪的工作原理是在不断通入氧气流的条件下，把样品加热到9501 200 ，使之充分燃烧，再对燃烧产物进行自动分析。元素分析仪自动化程度高，分析元素含量时所需样品量小，分析速度快，可以同时对碳、氢、氧、硫等多种元素进行分析，分析试样可以是液态或固态物质。元素分析仪与计算机连接，可进行数据的存储和统计分析，并可根据要求生成各种形式的分析报告。 有机化合物组成的研究 最简式又称实验式，指有机化合物所含各元素原子个数的最简整数比。如何确定有机物的元素组成有机化合物通常含有碳元素和氢元素。1831年，李比希（J. von Liebig）最早提出测定有机化合物中碳、氢元素质量分数的方法，其基本原理是利用氧化铜在高温下氧化有机物，生成水和二氧化碳，然后分别采用高氯酸镁和烧碱石棉剂（简称碱石棉，即附有氢氧化钠的石棉）吸收水和二氧化碳，根据吸收前后的质量变化获得反应生成的水和二氧化碳的质量，进而确定有机化合物中氢和碳的质量分数。使用钠熔法可定性分析有机物中是否存在氮、氯、溴、硫等元素。将有机样品与金属钠混合熔融，氮、氯、溴、硫等元素将以氰化钠、氯化钠、溴化钠、硫化钠等形式存在，再用无机定性分析法测定。使用铜丝燃烧法可定性分析有机物中是否存在卤素。将一根纯铜丝加热至红热，蘸上试样，放在火焰上灼烧，若存在卤素，火焰则为绿色。方法导引图 1-9 元素分析仪有机化学基础10在有机化合物分子中，原子主要通过共价键结合在一起。分子中的原子之间可能存在多种结合方式或连接顺序，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，有时结构上的细微变化会导致性质的巨大差异，甚至截然不同。“基团理论”对有机化学的发展起到了巨大的推动作用，后来人们也在不断完善这一理论。直到今天，人们在研究有机化合物时仍首先研究其所具有的基团（group），如羟基（OH）、醛基（CHO）、羧基（COOH）、氨基（NH2）、烃基（R）等，不同的基团具有不同的结构和性质特点。现代化学测定有机化合物结构的分析方法比较多，经常采用的是核磁共振波谱（NMR，nuclear magnetic resonance spectroscopy）和红外光谱（IR，infrared spectroscopy）等方法。在核磁共振分析中，最常见的是对有机化合物的1H核磁共振谱（1H-NMR）进行分析。有机物分子中的氢原子核所处的化学环境（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谱图中横坐标的位置（化学位移，符号为）也就不同。 有机化合物结构的研究李比希对“基团”概念的贡献1831年，德国化学家李比希在研究樟脑、樟脑酸、苦杏仁油等物质的基础上，开始尝试建立有机化合物的分类体系。他指出： “无机化学中的基是简单的，有机化学中的基则是复杂的，这是两者的不同点，但化学的规律是一样的。”1838年，他提出了“基”的定义：1. 有机化学中的“基”是一系列化合物中不变的部分。2.“基”在化合物中可被某种元素的单个原子所替代。3. 替代“基”的基团，可以被其他基团所取代。从此，有机化学中“基”的概念就确定了。李比希通过基团理论初步归纳总结了一些有机反应机理。现在看来，“基团理论”存在着不少缺陷，如“基”并非一成不变等。但李比希开拓性的工作，启发和引导后来的化学家们对有机化合物分子结构与性质之间的关系展开了卓有成效的研究。科学史话图 1-10 德国化学家李比希（J. von Liebig, 18031873）有机化学的发展及研究思路专题111请根据图1-11乙醇分子的结构回答以下问题。1. 乙醇分子中有几种不同化学环境的氢原子？2. 图1-12是分子式为C2H6O的两种有机化合物的1H核磁共振谱图，你能分辨出哪一幅是乙醇的1H - NMR谱图吗?请说出你作出判断的理由。分子式为C2H6O的有机化合物， 有二甲醚和乙醇两种同分异构体。 二甲醚 （CH3OCH3）分子中的6个氢原子处于相同的化学环境，在核磁共振谱中只会在一个位置上出现特征峰；乙醇（CH3CH2OH）分子中存在三种处于不同化学环境的氢原子，在核磁共振谱中代表这三种氢原子核磁性的特征峰共有三组，出现在不同的位置上。有机化合物的核磁共振谱提供了有机化合物结构的重要信息。对核磁共振谱的分析，有助于我们进一步认识图 1-11 乙醇的分子结构模型和结构式观察思考H C C OHHHHH 10111099663388552277441100/ppm/ppm图 1-12 分子式为C2H6O的两种有机物的1H核磁共振谱图 此图为简化后的核磁共振谱图。图 1-13 核磁共振仪图 1-14 傅立叶红外光谱仪有机化学基础12有机物的结构。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，测试并记录有机化合物对一定波长范围的红外光吸收情况。根据对红外光谱的分析，可以初步判断该有机化合物中具有哪些基团。如图1-15中3 0003 600 cm1范围内的吸收峰对应的是羟基的振动吸收峰，据此我们可以判定乙醇中存在羟基。测定有机物结构的现代分析方法还有质谱法和紫外光谱法等。其中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）和所带电荷（z）的比值不同，就会在不同的m/z处出现对应的特征峰。可根据特征峰与碎片离子的结构对应关系分析有机物的结构。例如，苯的质谱图可表示如下：在图1-16中，m/z为78的吸收峰为苯分子失去1个电子产生的离子对应的吸收峰，我们把这种由分子失去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。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。图1-16中m/z为39、51、77的吸收峰即为苯的碎片离子峰。图 1-16 苯的质谱图质谱技术的发展和应用早期的质谱研究工作是与元素的同位素测定紧密相关的。同位素这一术语于1910年被提出。第一台质谱仪也是在这一年诞生的。第二次世界大战期间,质谱进入了实际应用领域。首先是美国的原子弹制造计划，需要大量的U-235，使质谱进入了军事科学领域。另外石油工业也将质谱用于定性、定量分析。科学史话1008060402002030405070608090100m/z相对强度/%10.80.60.40.24 0003 2002 4001 600波数/cm1图 1-15 乙醇的红外光谱图透过率/%有机化学的发展及研究思路专题113随着科学技术的发展，有机物结构的测定方法经历了从经典的化学分析方法到现代仪器分析方法的发展历程。从最初只能分析结构简单的有机小分子，到现在可以分析蛋白质等有机大分子的结构，这些进步无不与仪器技术的发展密切相关。现代仪器分析方法不仅可以分析有机物结构，还可以用于研究有机反应历程，同时在实际生活中也有广泛的应用，如蔬菜中农药残留的分析、疾病的诊治和体育赛事中违禁药物的检测等。1943年,第一台商用质谱仪被一家石油公司购入，质谱仪从此进入了工农业生产领域。20世纪50年代是质谱技术飞速发展的一个时代。特别值得一提的是，气相色谱和质谱联用技术的成功使质谱在复杂有机混合物分析方面占有独特的地位。1990年以来，质谱学在各个方面都获得了极大的发展。质谱技术已经应用到了药物代谢分析、食品安全检验、地质勘探研究、高炉炉气分析、环境质量监测、汽轮机真空系统检漏、载人航天和刑侦技术等各个领域，有力地推动了社会的发展，改善了人们的生活。设计并合成新的有机化合物是有机化学的重要研究内容。通过有机化学反应，科学家们已经成功合成大量具有特殊功能的有机化合物。在已颁发的诺贝尔化学奖中，有几十个获奖项目的研究内容涉及有机化合物的合成和有机化学反应的研究。有机化学反应需要什么条件、受哪些因素的影响、反应机理（reaction mechanism） 如何等，这些都是科学家们研究的课题。研究有机反应，能够帮助我们更好地应用有机化合物，使有机化合物更好地造福人类。有机化学的反应机理揭示了反应中化学键因基团的相互作用而发生断裂形成新化学键。例如，甲烷与氯气在光照条件下发生的卤代反应是一个自由基型链反应。氯气分子在光照或加热条件下形成氯原子，即氯自由基（Cl）；氯自由基与甲烷分子发生碰撞时，从甲烷分子中夺得1个氢原子，生成氯化氢分子，甲烷则转变为甲基自由基（CH3）；甲 有机化学反应的研究为什么甲烷和氯气混合后，在光照条件下会发生一系列的反应？温故知新 反应机理又称反应历程，指反应物转变为生成物所经历的过程。有机化学基础14基自由基与氯气分子发生碰撞时，从氯气分子中夺得1个氯原子，生成一氯甲烷分子，氯气分子转变为氯自由基（Cl）在甲烷的光氯代反应中，氯气每吸收1个光子，将会生成数千个氯甲烷分子。有机反应种类繁多，涉及不同的反应机理。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。同位素示踪法（isotopic tracer method）是科学家经常使用的研究化学反应机理的手段之一。匈牙利化学家海维西（G. de Hevesy）因为在运用同位素示踪法研究化学反应机理方面贡献突出，获得了1943年诺贝尔化学奖。图 1-17 Cl2与CH4的反应机理Cl2Cl2CH4CH3CH3ClClClHClClCl生成物自由基+反应物光照聚乙烯是生活中常用的一种塑料，如用于生产食品包装袋和餐盒等。早在20世纪30年代，有人发现了一种能引发乙烯分子间相互聚合的催化剂，该催化剂可形成含有一个未成对电子的自由基R。你认为，反应过程中R可能引发生成哪些新的自由基？最终又是怎样形成聚乙烯的？批判性思维将乙酸乙酯与H218O混合后，加入硫酸作催化剂，乙酸乙酯在加热条件下将发生水解反应。下面是该反应的化学方程式： 学以致用CH3COCH2CH3 + H218OCH3C18OH + CH3CH2OHOO硫酸有机化学的发展及研究思路专题115科学家们在研究反应机理时，通常需要借助于仪器这个强有力的分析手段。例如，乙烯与溴化氢之间发生加成反应，利用质谱仪可以检测出该反应过程中产生的中间体乙基碳正离子（CH3CH2），据此可推出该反应为离子型反应。首先是溴化氢电离生成氢离子（H+）和溴离子（Br），产生的氢离子吸引碳碳双键中的一对电子，使这一对电子从碳碳之间转移到碳氢之间，这就形成了中间体CH3CH2，CH3CH2再通过静电作用和Br结合生成CH3CH2Br。此反应的反应机理可表示如下：HBr H+ + BrCH2CH2 + H+ CH3CH2CH3CH2 + Br CH3CH2Br烯烃的加成反应是很典型的一类有机化学反应，在有机化工生产中应用非常广泛。有人在做丙烯和溴化氢加成反应的实验时，发现生成物中有2-溴丙烷和1-溴丙烷两种同分异构体。请你解释这两种产物是怎样形成的。批判性思维1. 根据产物中18O的分布情况，你能判断出乙酸乙酯在发生水解时分子中的哪个共价键发生了断裂?2. 请你说说用同位素示踪法研究化学反应时，运用了同位素的什么性质。3. 你还知道其他可用同位素示踪法研究的化学反应吗？请查阅资料予以说明。1. 下列关于有机化合物的说法正确的是（ ）A. 含碳元素的化合物一定都是有机化合物B. 有机化合物除含碳元素外，一定还含有氢元素C. 碳原子成键方式的多样性是有机化合物种类繁多的原因之一D. 易溶于汽油、酒精、苯的物质一定是有机化合物2. 某有机物在氧气中充分燃烧，生成等物质的量的水和二氧化碳。则该有机物的组成必须满足的条件是（ ）A. 分子中C、H、O的个数比为123 理解应用有机化学基础16111110109966338855227744AB1100/ppm/ppmCH3CHCH3OHB. 分子中C、H的个数比为12C. 该有机物的相对分子质量为14D. 分子中肯定不含氧元素3. 某同学为测定维生素C中碳、氢的质量分数，取维生素C样品研碎，称取该试样0.352 g，置于铂舟并放入燃烧管中，不断通入氧气流。用酒精喷灯持续加热样品，将生成物先后通过浓硫酸和碱石灰，两者分别增重0.144 g和0.528 g，生成物完全被吸收。试回答以下问题。（1）维生素C中碳的质量分数是 ，氢的质量分数是 。（答案精确至0.01%）（2）维生素C中是否含有氧元素？为什么？（3）如果需要确定维生素C的分子式，还需要哪些信息？4. 举例说明基团理论、同位素示踪法、现代物质结构分析方法在有机化学研究中的应用。5. 下列两幅谱图是结构简式为CH3CH2CH2OH和 的两种有机化合物的1H核磁共振谱图。请判断哪一幅是 CH3CHCH3OH 的1H-NMR谱图，并说明理由。有机化学的发展及研究思路专题117 建构整合科学家怎样研究有机物重结晶分液、萃取蒸馏有机物的分离、提纯1H核磁共振谱李比希元素分析法反应机理红外光谱质谱现代元素分析仪同位素示踪法有机物组成的研究有机物结构的研究有机化学反应的研究有机化学发展的历史人类赖以生存的有机化合物有机化合物对生命活动的影响有机功能材料环境保护有机化学的发展与应用有机化学基础18 为什么说有机化学的发展经历了漫长的过程？ 以无机物为原料能否合成得到有机物？请举例说明。 为什么说现代社会对人工合成的有机物的依赖正在日益增长？ 有机化合物与人类的生命活动有何关系？ 举例说明有机化合物与材料科学发展的关系。 如何分离、提纯有机化合物？ 举例说明研究有机化合物组成的常用方法。 举例说明有机化合物中常见的基团。 你知道哪些现代的测定有机物结构的分析方法？试举例说明。 化学方程式与反应机理的关系是什么？请举例说明。 简要描述甲烷在光照条件下发生氯代反应的机理。 举例说明同位素示踪法用于研究化学反应的历程。 举例说明研究有机化学反应的中间体有何意义。 学完本专题，你对有机化学的发展、应用和研究方法有哪些新的认识？ 请参照下列问题或线索，回顾和总结本专题的学习内容。 回顾与总结 请参照下列问题或线索，回顾和总结本专题的学习内容。有机化学的发展及研究思路专题1191. 下列关于有机化合物的说法正确的是（ ）A. 人们生活中的有机化合物只能从自然界中的动植物获得B. 以氨基酸为原料合成具有生命活性的蛋白质使人类在认识生命的进程中迈出了一大步C. 我国古代的酿酒、制醋均属于由无机物转化为有机物的人工合成有机物技术D. 尼龙、涤纶、光导纤维都是有机合成纤维2. 有机化学的应用覆盖了我们生产生活的方方面面，下列说法正确的是（ ）A. 有机物都是从有机体中分离出的B. 凡是含有碳元素的化合物都属于有机化合物C. 有机化学是研究有机物的组成、结构、性质、制备方法与应用的科学D. 有机化学萌发于16世纪，创立并成熟于17、18世纪3. 某化合物6.4 g在氧气中充分燃烧，只生成8.8 g CO2和7.2 g H2O。下列说法正确的是（ ）A. 该化合物仅含碳、氢两种元素B. 该化合物中碳、氢原子个数比为1 4C. 无法确定该化合物是否含有氧元素D. 该化合物中碳、氧原子个数比为214. 1924年，我国药物学家发现麻黄素有平喘作用，于是从中药麻黄中提取麻黄素作为平喘药，这一度风靡世界。若将10 g麻黄素完全燃烧，可得26.67 g CO2 和8.18 g H2O，同时测得麻黄素中含氮8.48 %和它的实验式为CxHyNzOw，则麻黄素的分子式为（ ）A. C10H15NO B. C20H30NOC. C10H15N2O3 D. C20H30N2O 综合评价合成自然界存在的有机化合物应用在其他领域研究反应实质和反应方向研究有机物的结构、性质和应用 设计和合成需要的物质认识天然有机化合物有机化学有机化学基础205. 2002年诺贝尔化学奖表彰了两项成果，其中一项是瑞士科学家库尔特维特里希发明了“利用核磁共振技术测定溶液中生物大分子三维结构的方法”。下列有机物分子在1H核磁共振谱中只给出一种信号的是（ ）A. HCHO B. CH3OH C. HCOOH D. CH3COOCH36. 已知某有机物A的红外光谱和1H核磁共振谱如下图所示，下列说法不正确的是（ ）A. 由红外光谱可知，该有机物中至少有三种不同的化学键B. 由1H核磁共振谱可知，该有机物分子中有三种不同化学环境的氢原子C. 仅由1H核磁共振谱无法得知其分子中的氢原子总数D. 若A的化学式为C2H6O，则其结构简式为CH3OCH37. 丙烷与氯气在光照条件下发生取代反应，得到的一氯代物的结构简式为 。8. 某有机化合物仅由碳、氢、氧三种元素组成，经测定其相对分子质量为90。取该有机化合物样品1.8 g，在纯氧中完全燃烧，将产物先后通过浓硫酸和碱石灰，两者分别增重1.08 g和2.64 g。试求该有机化合物的分子式。9. 查阅有关资料，了解因研究有机化学而获得诺贝尔化学奖的某一位科学家的生平及其所作出的贡献。将你查阅到的资料与同学们交流，并将自己的感受写成一份报告。4 000100806040200345C?HC?OO?H67891011121314153 0002 0001 5001 000950850700?cm?1?m?A?A?321045/ppm91011121314153 0002 0001 5001 000950850700?cm?1?m?A?A? 有机化合物的性质与其结构有着密切的联系。了解原子间的成键方式、连接顺序和空间排布对研究有机化合物的性质十分重要。为了便于研究有机化合物的结构和性质，需要建立一套完整的有机化合物命名原则来区分每一种有机化合物。本专题将重点介绍有机化合物结构的表示方法和同分异构现象，以及