人教版选修5课件 第一章 第四节　研究有机化合物的一般步骤和方法 第2课时　有机物化学式的测定和结构的确定 26页

第 2 课时 有机物化学式的测定和结构的确定 一、元素分析与相对分子质量的测定 1 ． 元 素分析 实验式 (1) 元素定量分析的原理：是将一定量的有机物 ________ ， 分解为简单的 __________ ，并作 ________ 测定，通过无机物的 质量推算出组成该有机物 元素原子的 ________________ ，然后 计算出该有机物分子所含元素原子最简单的整数比 ，即确定其 __________ 。 C 2 H 6 O 46 如：乙醇的实验式是 ________ ，相对分子质量是 ______ 。 燃烧 无机物 定量 质量分数 (2) 有机物的元素定量分析最早是由德国人李比希提出的。 他用 CuO 作氧化剂将仅含 C 、 H 、 O 元素的有机物氧化，产生 的 H 2 O 用 ________________ 吸收， CO 2 用 ________ 浓溶液吸收。 分别称出吸收前后吸收剂的质量，即可算出 ______________ 在 分子中的含量，剩余的就是 __________ 的含量。 无水 CaCl 2 (3) 元素分析只能确定组成分子的各原子 ______________ ， 即确定 __________ ，若想确定分子 式，还需知道或测定未知物 的 ________________ 。 KOH 碳、氢原子 实验式 相对分子质量 氧原子 最简单的整数比 2 ．相对分子质量的测定 —— 质谱法 质谱是近代发展起来的快速、微量、精确测定 ____________ 的方法。它用高能的电子流等轰击样品分子，使该分子 __________ 变成带正电荷的 ___________ 和 _____________ 。 相对分子质量 失去电子 分子离子 碎片离子 二、分子结构的确定 1 ． 红 外光谱 振动频率 红外光的振动频率 在有机物分子中，组成化学键或官能团的原子处于不断 ______ 的状态，其 _______________ 与 ______________________ 相当。所以，当用 __________ 照射有机物分子时，分子中的化 学键或官能团可发生 ______________ ，不同的化学键或官能团 ______________ 不同，在红外光谱图上将处于不 同的位置。 振动 振动吸收 吸收频率 红 外线 2 ．核磁共振氢谱 处在不同化学环境中的 __________ 因产生共振时吸收电磁 波的 ________ 不同，在谱图上出现的位置也不同，各类氢原子 的这种差异被称为化学位移 δ ；而且 __________________ 与 ________________ 成正比。因此，从核磁共振氢谱图上可以推 知 该有机物分子有几种不同类型的氢原子及它们的数目。 氢原子 频率 吸收峰的面积 氢原子数 元素分析与相对分子质量的测定 1 ．元素分析 ( 燃烧法 ) (1) 元素定量分析的原理 将一定量的有机物燃烧，分解为简单的无机物，并作定量 测定，通过无机物的质量推算出组成该有机物元素原子的质量 分数，然后计算出该有机物分子所含元素原子最简单的整数比， 即确定其实验式，以便于进一步确定其分子式。 (2) 常见元素的分析法 ①碳、氢元素质量分数的测定 最常用的是燃烧分析法。将样品置于氧气流中燃烧，燃烧 后生成二氧化碳和水分别用碱液或吸水剂吸收，称重后即可分 别计算出样品中碳、氢元素的质量分数。当然，碳、氢元素的 含量也可以利用仪器分析方法测定。 ②卤素质量分数的测定 将样品与 AgNO 3 溶液及浓硝酸混合加热，此时卤素原子转 变为卤素离子，并与 AgNO 3 溶液作用产生卤化银沉淀。根据沉 淀的量，即可计算出样品中卤素的质量 分数。 2 ．相对分子质量的测定 测定有机物的相对分子质量的方法很多，质谱法是最精确、 快捷的方法。 质谱法是近代发展起来的快速、微量、精确测定相对分子 质量的方法。它用高能电子流等轰击样品分子，使该分子失去 电子变成带电荷的分子离子和碎片离子。分子离子、碎片离子 各自具有不同的相对质量，它们在磁场作用下到达检测器的时 间因质量的不同而先后有别，其结果被记录为质谱图，在质谱 图中最大的分子离子的质荷比就是有机物的相对分子质量。 分子结构的确定 1 ．红外光谱 (1) 原理 组成化学键或官能团的原子振动频率和红外光的振动频率 相当。当用红外线照射有机物分子时，不同化学键或官能团吸 收频率不同，在红外光谱图上将处于不同位置，从而可以获得 分子中含有何种化学键或官能团的信息。 (2) 用途 通过红外光谱可以推知有机物分子中含有哪些化学键、官 能团。例如： C 2 H 6 O ，从未知物 A 的红外光谱图上发现有 O—H 键、 C—H 键和 C—O 键的振动吸收，可以判断 A 是乙醇而并 非二甲醚，因为二甲醚没有 O—H 键。 2 ．核磁共振氢谱 (1) 原理 氢原子核具有磁性，如用电磁波照射氢原子核，它能通过 共振吸收电磁波能量，发生跃迁。用核磁共振仪可以记录到有 关信号，处于不同化学环境中的氢原子因产生共振时吸收电磁 波的频率不同，在谱图上出现的位置也不同，且吸收峰的面积 与氢原子数成正比。 (2) 用途 从核磁共振氢谱图上可以推知该有机物分子中有几种不同 类型的氢原子及它们的数目。 有机物分子式的确定 【 例 1 】 吗啡和海 洛因都是严格查禁的毒品。吗啡分子中 C 、 H 、 N 、 O 的质量分数分别为 71.58% 、 6.67% 、 4.91% 和 16.84% ， 已知其相对分子质量不超过 300 。求： (1) 吗啡的相对分子质量。 (2) 吗啡的分子式。 ＝ 17 大于 300 ，如果其分子中含有 2 个氮原子，则其相对分子质量 必超过 300 ，故可得吗啡的相对分子质量为 285 。 (2) 因此，吗啡分子中 C 、 H 、 O 原子的个数： C 原子个数为： 285× 71.58% 12 H 原子个数为： 285× 6.67% 1 ＝ 19 O 原子个数为： 285× 16.84% 16 ＝ 3 则吗啡的分子式为 C 17 H 19 NO 3 。 【 答案 】 (1) 假设吗啡分子中只有 1 个氮原子，则吗啡的相 对分子质量为 14/4.91% ＝ 285 。由于已知吗啡的相对分子质量不 确定分子式的方法 (1) 实验式法：由各元素的质量分数 →求各元素的原子个数 之比 ( 实验 式 )→ 相对分子质 量→求分子式。 (2) 物质的量关系法：由密度或其他条件 → 求摩尔质量 →求 1 mol 分子中所含各元素原子的物质的量 → 求分子式。 ( 气体标 准状况下 M ＝ d g/cm 3 ×10 3 cm 3 /L×22.4 L/mol) (3) 化学方程式法：利用化学方程式求分子式。 (4) 燃烧通式法：利用通式和相对分子质量求分子式。 由 于 x 、 y 、 z 相对独立，借助通式进行计算， 解出 x 、 y 、 z ， 最后求出分子式。 1 ． (2009 年海 南化学改编 ) 某含苯环的化合 物 A ，其相对分 子质量为 104 ，碳的质量分数为 92.3% ，求 A 的分子式。 解： 碳元素的相对分子质量总和＝ 92.3%×104 ＝ 96 ，因 104 － 96 ＝ 8 ，不可能含其他原子，氢元素的相对原子质量 总和为 8 。 分子中含碳原子的数目为： 96÷12 ＝ 8 ，所以分子式为 C 8 H 8 。 答： A 的分子式为 C 8 H 8 。 有机物结构的确定 【 例 2 】 利用核磁共振技术测定有机物分子的三 维结构的 研究获得了 2002 年诺贝尔化学奖。在有机物分子中，不同位置 的氢原子的核磁 共振谱中给出的峰值 ( 信号 ) 也不同，根据峰值 的信号可以确定有机物分子中氢原子的种类和数目。例如：乙 ，其核磁共振氢谱 醚的结构式为： 中信号峰 ( 如图 1 － 4 － 1) ： 图 1 － 4 － 1 图 1 － 4 － 2 (1) 下列分子中，其核磁共振氢谱中只有一种峰 ( 信号 ) 的物 质是 ________( 填序号 ) 。 A ． CH 3 — CH 3 C ． CH 3 COOCH 3 B ． CH 3 COOH D ． CH 3 COCH 3 (2) 化合物 A 和 B 的分子式都是 C 2 H 4 Br 2 ， A 的核磁共振氢 谱如图 1 － 4 － 2 所示，则 A 的结构简式为 _____________ ，请 预测 B 的核磁共振氢谱上有 ____ 种峰 ( 信号 ) 。 (3) 用核磁共振氢谱的方法来研究 C 2 H 6 O 的结构，请简要说 明根据核磁共振氢谱的结果来确定 C 2 H 6 O 分子结构的方法是 ______________________________________________________ ______________________________________________________ ________________________________ 。 【 解析 】 核磁共振氢谱中信号峰有几种取决于有机物分子 结构有几类化学环境相同的氢原子。 (1) 氢谱只有一种峰表示分 子中所有氢原子化学性质相同，可以理解为其一氯代物只有一 种， AD 满足条件。 (2) 由图可知，信号峰只有一种，说明在两 个碳原子上都有一个溴原子， A 为 CH 2 BrCH 2 Br ； A 、 B 互为同 分异构体即 B 为 CH 3 CHBr 2 ，有两种信号峰。 (2)BrCH 2 CH 2 Br 两 (3) 若 谱 图 中 给 出 3 种 信 号 峰 ， 则 C 2 H 6 O 的 结 构 为 CH 3 CH 2 OH ；若谱图中给出 1 种信号峰，则 C 2 H 6 O 的结构为 CH 3 OCH 3 【 答案 】 (1)AD 2 ．在核磁共振氢谱中出现两组峰，其氢原子数之比为 3∶2 ) 。 的化合物是 ( A ． C ． B ． D ． 解析： “ 出现两 组峰 ” 说明该化合物有两种 氢原子 ( 两种等 效氢 ) 。 A 选项有 2 种氢原子，个数分别为 2 和 6 ； B 选项有 3 种氢原子，个数分别为 2 、 2 和 6 ； C 选项有 2 种氢原子，个数 分别为 6 和 8 ； D 选项有 2 种氢原子，个数分别为 4 和 6 。 答案： D 3 ．质子核磁共振谱 (PMR) 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，每一结构中的等性氢原子在 PMR 谱中都给出了相应的峰 ( 信号 ) 。峰的强度与结构中的 H 原 子数成正比。例如乙酸分子的 PMR 谱中有两个信号峰，其强度 比为 3∶1 。现有某化学式为 C 3 H 6 O 2 的有机物的 PMR 谱有三个 B A ． CH 3 CH 2 COOH C ． HCOOCH 2 CH 3 B ． CH 3 COOCH 3 D ． CH 3 COCH 2 OH ) 。 4 ． (2010 年天 津理综 ) 下列鉴别方法可行的是 ( 答案： C