1、第第2节节 有机化合物结构的测定有机化合物结构的测定 目标导航 预习引导 1.了解有机化合物结构测定的一般步骤和程序。 2.学会进行确定有机物分子式的简单计算。 3.能利用化学检验方法鉴定简单有机物分子中的官能 团。 4.能根据有机物中官能团的定性鉴定结果及相关谱图 提供的分析结果判断和确定某种有机物样品的组成与 结构。 5.初步了解一些测定有机物结构的现代手段,懂得有机 物结构测定对有机合成具有重要意义 1.确定有机物的分子式。 2.鉴定简单有机物分子中的官能团。 3.确定有机物样品的组成与结构 目标导航 预习引导 一、有机化合物分子式的确定 1.确定有机化合物的元素组成 (1)确定有机物的
2、元素组成及质量分数 组成有机化合物的元素种类并不多。 最常见的是 C、 H、 O、 N、 X 等元素,各元素的质量分数通常需要借助有机化合物的可燃性等 化学性质进行定量测定。得知 C、H、N、X 等元素的质量分数后, 其总和若小于 100%,其差值一般就是氧元素的质量分数。 (2)确定有机化合物元素组成的方法 碳、氢元素的测定: 燃烧分析法是测定碳、 氢元素含量的较为重要的方法之一,测定 步骤: 取一定质量的样品; 将样品在氧气流中充分燃烧; 将燃烧后的产物依次 通过吸水剂和碱液吸收; 称重后根据质量变化可计算样品中的碳、氢元素的含量。 目标导航 预习引导 2.测定有机化合物的相对分子质量(确
3、定分子式) (1)测定有机化合物的相对分子质量 诸多测定有机化合物的相对分子质量的方法中,质谱法是最精 确、 最快捷的,是一种仅用几微克样品就可以测定出样品的相对分子 质量的方法,是目前常用的测定有机化合物相对分子质量的方法。 (2)确定有机化合物分子式的方法 必须已知化合物的相对分子质量Mr(A),根据实验式的相对分 子质量Mr(实),求得含 n 个实验式:n= r(A) r(实),即得分子式。例如,某有 机物实验式为 CH,则可设其分子式为(CH)n,如果测得其相对分子质 量为 78,则可确定 n=7813=6,其分子式为 C6H6。 目标导航 预习引导 预习交流交流1 是否所有的有机物都
4、是同时需要实验式和相对分子质量才能确 定分子式? 提示:不一定。如甲烷、甲醇,其实验式对应的分子式只有一个, 因此不需要相对分子质量也能推断出分子式。 目标导航 预习引导 二、有机化合物结构式的确定 1.有机化合物分子不饱和度的计算 (1)不饱和度是反映有机物分子不饱和程度的量化标志,可以为测 定分子结构提供是否含有双键、叁键或苯环等不饱和结构单元的 信息。由于烷烃分子饱和程度最大,就规定其不饱和度为0,而其他 有机物,如烃可以这样推算:烃分子中每增加一个碳碳双键或一个 脂环,氢原子数就减少2个,其不饱和度就增加1;每增加一个碳碳叁 键,氢原子数就减少4个,其不饱和度就增加2。 目标导航 预习
5、引导 (3)几种官能团的不饱和度。 官能团 不饱和度 官能团 不饱和度 一个碳碳双键 1 一个碳碳叁键 2 一个羰基 1 一个苯环 4 一个脂环 1 一个氰基 2 目标导航 预习引导 2.确定有机化合物的官能团 (1)化学实验确定法 官能团种类 试剂 判断依据 碳碳双键或 碳碳叁键 溴的四氯化碳溶液 红棕色退去 酸性 KMnO4溶液 紫色退去 官能团种类 试剂 判断依据 卤素原子 NaOH 醇溶液(加热)、稀硝酸、 AgNO3溶液 有沉淀产生 NaOH 水溶液、稀硝酸、AgNO3 溶液 有沉淀产生 醇羟基 钠 有氢气放出 酚羟基 FeCl3溶液 显紫色 溴水 有白色沉淀产生 醛基 银氨溶液(水
6、浴) 有银镜生成 新制氢氧化 铜悬浊液(加热) 有砖红色沉淀产 生 羧基 NaHCO3溶液或 Na2CO3溶液 有二氧化碳气体 放出 目标导航 预习引导 (2)仪器确定法 由于科学技术的发展,近代有机化合物的测定已大为改观。现代物 理测试方法和仪器的出现,使人们能通过紫外光谱、红外光谱及核 磁共振谱等快速准确地确定有机化合物分子的结构。 目标导航 预习引导 预习交流交流2 试计算下列化学式所表示的有机化合物的不饱和度,并分析可能 存在的官能团。 (1)C2H4 (2)C3H5Cl (3)C8H10 提示:根据不饱和度的计算公式:分子的不饱和度=n(C)+1-(H) 2 , 卤素原子当成氢原子看
7、待,氧原子不予考虑,有氮原子时,在氢原子数 中减去氮原子数即可。具体情况如下:(1)不饱和度为 1,分子中有一 个碳碳双键。(2)不饱和度为 1,分子中含有一个碳碳双键。(3)不饱 和度为 4,可能含有一个苯环,也可能含有两个碳碳叁键或一个碳碳 叁键和两个碳碳双键或四个碳碳双键。 问题导学 即时检测 一 二 一、化学法确定官能团方法探究 活动与探究 1.根据化学试剂确定有机物中的官能团并填写下表。 问题导学 即时检测 一 二 试剂和方法 现象 结论 加入溴水 退色 不退色 分层,上层橙色 加酸性 KMnO4溶液 退色 加银氨溶液、水浴加热 产生银镜 加 Cu(OH)2悬 浊液、加热 出现砖红色
8、沉淀 试剂和方法 现象 结论 问题导学 即时检测 一 二 加入活泼金属钠 有气体放出 加乙酸、浓硫酸 有果香味物质生成 加紫色石蕊溶液 显红色 加 Na2CO3溶液 有气体逸出 闻气味 果香味 加 NaOH 溶液 或稀硫酸 果香味消失 加 FeCl3溶液 显紫色 加碘水 显蓝色 问题导学 即时检测 二 一 答案: 试剂和 方法 现象 结论 加入溴 水 退色 分子中含有不饱和键(如碳碳双 键、碳碳叁键等) 不退色 饱和烃 分层,上层橙色 液态饱和烃或苯及其同系物 加酸性 KMnO4 溶液 退色 分子中含有不饱和键(如碳碳双 键、碳碳叁键、醛基等)或苯的同 系物 问题导学 即时检测 二 一 加银氨
9、 溶液、 水浴加 热 产生银镜 分子中含有醛基:醛、甲酸、甲 酸酯、甲酸盐、葡萄糖、麦芽糖 等 加 Cu(OH)2 悬 浊液、 加 热 出现砖红色沉淀 加入活 泼金属 钠 有气体放出 分子中含有羟基或羧基 加乙酸、 浓硫酸 有果香味物质生 成 分子中含有醇羟基 问题导学 即时检测 二 一 加紫色 石蕊溶 液 显红色 羧酸 加 Na2CO3 溶液 有气体逸出 闻气味 果香味 酯 加 NaOH 溶液 或稀硫 酸(加 热) 果香味消失 加 FeCl3 溶液 显紫色 酚类物质 加碘水 显蓝色 淀粉溶液 问题导学 即时检测 二 一 2.能与钠反应的有机物中含有哪些官能团?有哪些类型的化合物? 提示:能与
10、Na反应的有机物中含有的官能团为羟基(OH)、羧 基(COOH)。包括醇、酚、羧酸、氨基酸、葡萄糖等。 3.与NaHCO3溶液反应的有机物中有何结构特点? 提示:能与NaHCO3溶液反应的有机物一定,含有羧基(COOH)。 问题导学 即时检测 二 一 迁移与应用 例 1 可用于鉴别以下三种化合物的一组试剂是 ( ) 银氨溶液 溴的四氯化碳溶液 氯化铁溶液 氢氧化钠溶液 A.与 B.与 C.与 D.与 问题导学 即时检测 二 一 解析:向溴的四氯化碳溶液中分别加入三种化合物,丁香酚和肉 桂酸使得溶液退色,不退色的为乙酰水杨酸;丁香酚中含有酚羟基, 加入氯化铁溶液后,变成紫色,不变色的是肉桂酸。
11、答案:A 问题导学 即时检测 二 一 迁移训练 1 某有机物的结构简式为,下 列对其化学性质的判断中,不正确的是( ) A.能被银氨溶液氧化 B.能使酸性 KMnO4溶液退色 C.1 mol 该有机物只能与 1 mol Br2发生加成反应 D.1 mol 该有机物只能与 1 mol H2发生加成反应 解析:能被银氨溶液氧化(CHO 的性 质),也能使酸性KMnO4溶液退色,又因为CHO可与H2加成,所以1 mol 该有机物能与 2 mol H2发生加成反应,但只能与 1 mol Br2发生 加成反应。 答案:D 问题导学 即时检测 二 一 (1)醇、酚、羧酸中的羟基氢活泼性不同,其中醇只能与活
12、泼金 属钠反应生成醇钠,酚能与金属钠、氢氧化钠反应生成钠盐,而羧酸 能与钠、氢氧化钠、碳酸钠、碳酸氢钠反应生成钠盐。 (2)记住几种特殊颜色:苯酚遇氯化铁溶液显紫色,碘遇淀粉变蓝 色,醛基与新制氢氧化铜悬浊液混合加热产生砖红色沉淀,某些蛋白 质遇浓硝酸变黄,苯酚和浓溴水反应生成白色沉淀。 问题导学 即时检测 一 二 二、有机物分子式和结构式的判断 活动与探究 1.燃烧36.0 g医用胶的单体样品,实验测得生成70.4 g二氧化碳、 19.8 g水、2.24 L氮气(标准状况下),试确定其实验式。 问题导学 即时检测 一 二 答案:a.求碳的物质的量:因为燃烧生成 CO2的质量为 70.4 g,
13、所 以,n(C)=n(CO2)= 70.4 g 44 g mol-11.6 mol。 b.求氢的物质的量:因为燃烧生成 H2O 的质量为 19.8 g,所 以,n(H)=2n(H2O)=2 19.8 g 18 g mol-1=2.2 mol。 c.求氮的物质的量:因为燃烧生成 N2的体积在标准状况下为 2.24 L,所以,n(N)=2n(N2)=2 2.24 L 22.4 L mol-1=0.2 mol。 d.求氧的物质的量:因为样品的质量为 30.6 g,所以,m(O)=30.6 g-m(C)-m(H)-m(N)=30.6 g-1.6 mol 12 g mol-1-2.2 mol1 g mo
14、l-1-0.2 mol 14 g mol-1=6.4 g。n(O)= 6.4 g 16 g mol-1=0.4 mol。 e.求该有机物的实验式:n(C)n(H)n(N)n(O)=1.6 mol2.2 mol0.2 mol0.4 mol=81112,其实验式为 C8H11NO2。 问题导学 即时检测 一 二 2.质谱法测得上述医用胶单体的相对分子质量为153.0,确定其分 子式。 答案:设该样品的分子式为(C8H11NO2)n,因为该样品的相对分子 质量为153.0,所以, n(128+111+114+162)=153.0 解得,n=1 因此,该样品的分子式为C8H11NO2。 问题导学 即时
15、检测 一 二 3.根据不饱和度判断上述单体分子中可能含有的不饱和键。 答案:该样品分子的不饱和度为: 分子的不饱和度=n(C)+1-(H)-(N) 2 =8+1-11-1 2 =4 根据求得的不饱和度推测该有机物分子中可能含有的官能 团为: 编号 1 2 3 4 可能的 官 能团组 合 一个苯环 两个 叁键 4 个双键 一个叁键, 两个双键 编号 5 6 7 可能的 官 能团组 合 一个叁键, 两个环状 结构 4个环 状结 构 双键与环状结构组 合(二者数目的和为 4) 说明:叁键指碳碳叁键或碳氮叁键;双键指碳碳 双键或碳氧双键 问题导学 即时检测 一 二 4.利用化学实验发现该物质加入溴的四
16、氯化碳会退色,且分子 中含有CN 原子团,不含NO2,红外光谱分析可知样品分子中含 有CN、等官能团,分子核磁氢谱图和核磁 碳谱图提示:分子中含有、 OCH2CH2CH2CH3、 基团。结合相关信息分析该有机物的结构简式。 问题导学 即时检测 一 二 答案:该物质加入溴的四氯化碳会退色推测其中可能含有碳碳 叁键或碳碳双键,结合仪器测量的信息,推测如果“”直接 与“OCH2CH2CH2CH3”和“COOR”相连,该分子中至少 有 3 个 O 原子,与分子式不符。怎样连接才能保证既包含 “OCH2CH2CH2CH3”和“COOR”这两个基团,又使分子 中氧原子总数为 2 呢?唯一的可能是这两个基团
17、中有一个 O 原子是 共同使用的,由此可知有机物的结构。 综上所述,该有机物的结构简式为: CH2C(CN)COOCH2CH2CH2CH3。 问题导学 即时检测 一 二 5.计算有机物不饱和度时,卤素原子、氧原子、氮原子如何处理? 答案:若有机物分子中含有卤素原子,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。 6.如何分析核磁共振氢谱? 答案:核磁共振氢谱中峰的个数代表氢原子的种类;峰的高度之 比代表不同类型氢原子数之比。 问题导学 即时检测 一 二 迁移与应用 例2某烃类化合物A的质谱图表明其相对分子质量为84,红外光谱 表明分子中含有碳碳双键
18、,核磁共振氢谱中表明分子中只有一种类 型的氢,试写出A的结构简式。 解析:题目中条件有“红外光谱表明分子中含有碳碳双键”,因此 可以假设是一种单烯烃,那么该烃的实验式为 CH2,设分子式为 (CH2)n。 根据相对分子质量为 84 可以得出: n=84/14=6,因此该烃的分子式为 C6H12 问题导学 即时检测 一 二 写出其属于烯烃的同分异构体: CH3CH2CHCHCH2CH3 CH3CH2CH2CHCHCH3 CH3CH2CH2CH2CHCH2 由分析可知,只有符合题意。 问题导学 即时检测 一 二 答案: 问题导学 即时检测 一 二 迁移训练2分子式为C5H8的有机物,其结构不可能是
19、( ) A.只含有1个碳碳双键的直链有机物 B.含2个碳碳双键的直链有机物 C.含1个碳碳双键的环状有机物 D.含一个碳碳叁键的直链有机物 问题导学 即时检测 一 二 确定有机物结构式的一般流程: 问题导学 即时检测 1 2 3 4 5 1.已知某烃中各元素的质量分数分别为:w(C)=80%,w(H)=20%,则该 烃的分子式为( ) A.CH3 B.CH4 C.C2H4 D.C2H6 答案:D 问题导学 即时检测 1 2 3 4 5 2.一种气态烷烃和气态烯烃组成的混合物共 10 g,混合气体的密度 是相同状况下H2密度的12.5倍,该混合气体通过装有溴水的试剂瓶 时,试剂瓶总质量增加了 8
20、.4 g,组成该混合气体的可能是( ) A.乙烯和乙烷 B.乙烷和丙烯 C.甲烷和乙烯 D.丙烯和丙烷 解析:混合气体的平均摩尔质量为 12.5 2 g mol-1=25 g mol-1,则混合 气的物质的量为 10 g 25 g mol-1=0.4 mol;又因为烯烃中最简单的乙烯的摩 尔质量是 28 g mol-1,故烷烃的摩尔质量一定小于 25 g mol-1,只能是 甲烷。当混合气通过溴水时,由于只有烯烃和溴水反应,因此增重的 8.4 g 为烯烃质量,则甲烷质量为 10 g-8.4 g=1.6 g,甲烷的物质的量为 0.1 mol,则烯烃的物质的量为 0.3 mol,烯烃的摩尔质量为
21、8.4 g 0.3mol=28 g mol-1,根据单烯烃通式 CnH2n,即 14n=28,可求出 n=2,即烯烃为乙烯。 答案:C 问题导学 即时检测 1 2 3 4 5 3.0.2 mol某气态烃CxHy完全燃烧时,消耗氧气1 mol,则x和y之和是 ( ) A.5 B.7 C.9 D.11 答案:D 问题导学 即时检测 1 2 3 4 5 解析:分子中有几种氢原子就有几种核磁共振吸收峰,这些不同氢原 子的个数之比就是吸收峰的面积之比。 甲醛的结构式为 因此甲醛中只有 1 种氢原子,吸收峰只有 1 个;乙醛的结构简式为 CH3CHO,其中有 2 种氢原子。 2 种氢原子的比例为 31,吸
22、收峰为 2 个,面积之比为 31。 4.分析填写下表: 甲醛 乙醛 核磁共 振 氢谱情 况 有 种 H 原子; 吸收峰有 个 有 种 H 原子,比例 为 ; 吸收峰有 个,面积 比为 问题导学 即时检测 1 2 3 4 5 答案: 甲醛 乙醛 核磁共振 氢谱情况 有 1 种 H 原子; 吸收峰有 1 个 有 2 种 H 原子,比例为 31; 吸收峰有 2 个,面积比为 31 问题导学 即时检测 1 2 3 4 5 5.某有机物蒸气对 H2的相对密度为 23,其中 C、H、O 的质量分数 分别为 52.17%、13.04%、34.78%。 (1)该有机物实验式为 ,分子式为 ,可能的结构式为 和
23、 。 (2)实验测得4.6 g该有机物和足量金属钠反应,标准状况下产生气体 1.12 L,则该有机物的结构简式为 。 解析:(1)n(C)n(H)n(O)=52.17 12 13.04 1 34.78 16 =261,故该有机物 实验式为 C2H6O,又因其相对分子质量为 46,故分子式为 C2H6O。可 能的结构有两种,即 CH3OCH3和 CH3CH2OH。 (2)该有机物能和 Na 反应放出 H2,说明分子中含有OH,且 1 mol 该有机物可产生 H2 0.5 mol,故分子中只含 1 个OH,结构简式 为 CH3CH2OH。 答案:(1)C2H6O C2H6O CH3OCH3 CH3CH2OH (2)CH3CH2OH
