学年苏教版选修5 专题1第二单元 科学家怎样研究有机物第2课时 学案.docx

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学年苏教版选修5专题1第二单元科学家怎样研究有机物第2课时学案

第2课时　有机化合物结构的研究及有机化学反应的研究

　【考试标准】

知识条目

加试要求

（1）根据1H核磁共振谱确定有机化合物的分子结构

（2）研究有机化合物结构的常用方法

（3）同位素示踪法研究化学反应历程

（4）手性碳原子与手性分子

b

b

b

a

自主预习

知识点一　有机物结构的研究

1.有机物中的基团

1831年，李比希提出了基的定义，人们在研究有机化合物时仍首先研究其所具有的基团，如羟基（—OH）、醛基（—CHO）、羧基（—COOH）、氨基（—NH2）、烃基（—R）等。

2.研究有机物结构的物理方法

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和红外光谱等方法。

测定有机物的组成和结构的现代分析方法，还有质谱法和紫外光谱法等。

知识点二　手性分子

我们把像D－丙氨酸和L－丙氨酸分子这样，分子不能与其镜像重叠者，称为手性分子（chiralmolecule）；两个互为镜像且不能重叠的异构体称为对映异构体（enantiomer）；与4个不同的原子或原子团相连的碳原子称为手性碳原子（chiralcarbonatom）。

知识点三　有机化学反应的研究

1.自由基型链反应

甲烷与氯气在光照条件下发生的卤代反应，其反应机理已经研究清楚，这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，从甲烷分子中夺得一个氢原子，生成氯化氢分子，甲烷则转变为甲基自由基（·CH3）；甲基自由基与氯气分子发生碰撞时，从氯气分子中夺得一个氯原子，生成一氯甲烷分子，氯气分子转变为氯自由基（Cl·）……。

2.同位素示踪法

匈牙利化学家海维西（G.C.deHevesy）因为在运用同位素示踪法研究化学反应历程方面贡献突出，获得了1943年诺贝尔化学奖。

将乙酸乙酯与HO混合后，乙酸乙酯在加热条件下将发生水解反应：

CH3COOCH2CH3＋HO

CH3CO18OH＋CH3CH2OH

即时自测

判断正误：

1.元素分析仪可同时对有机物中碳、氢、氧、硫等多种元素进行分析，其特点是样品量小，速度快（　　）

2.核磁共振氢谱通常用于分析有机物的相对分子质量（　　）

3.根据红外光谱图的分析可以初步判断有机物中具有哪些基团（　　）

4.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（　　）

解析　1H核磁共振谱图只能确定氢原子的种类和数目比，不能确定有机物相对分子质量。

答案　1.√　2.×　3.√　4.√

探究点一　有机物结构式的确定

1.有机物分子结构的确定方法

（1）物理方法

①红外光谱法：

初步判断有机物中含有的基团或化学键。

②核磁共振氢谱：

测定有机物分子中氢原子的类型和数目。

氢原子的类型＝吸收峰数目

不同氢原子个数之比＝不同吸收峰面积之比

（2）化学方法

①根据价键规律，某些有机物只存在一种结构，可直接由分子式确定结构。

②基团的特征反应―→定性实验―→确定有机物中可能存在的基团。

③通过定量实验，确定有机物中的基团及其数目。

2.质谱法可以测定有机物的相对分子质量，在质谱图中，最大的质荷比就是有机物的相对分子质量。

根据相对分子质量和最简式可以确定有机物的分子式。

确定有机物结构式的思路

【例1】某有机物的相对分子质量为70，红外光谱表明有碳碳双键和C===O的存在，1H核磁共振谱如下图（峰面积之比依次为1∶1∶1∶3）:

分析核磁共振谱图，回答下列问题：

（1）分子中共有________种化学环境不同的氢原子。

（2）该物质的分子式为______________。

（3）该有机物的结构简式为______________。

解析　因该有机物的红外光谱检测到有碳碳双键和C===O的存在，所以最简式可设为CnH2n－2O，可得：

12n＋2n－2＋16＝70，所以n＝4，分子式为C4H6O。

根据1H核磁共振谱中有4种峰，可知该有机物有4种氢原子。

因峰面积之比依次为1∶1∶1∶3，其结构简式为CH3－CH===CH－CHO。

答案　

（1）4　

（2）C4H6O

（3）CH3－CH===CH－CHO

【训练1】某有机物X由C、H、O三种元素组成，它的红外吸收光谱表明有羟基O—H键、C—O键，烃基上C—H键的红外吸收峰。

X的核磁共振氢谱有四个峰，峰面积之比是4∶1∶1∶2（其中羟基氢原子数为3），X的相对分子质量为92，试写出X的结构简式：

__________________________________________________。

解析　由红外吸收光谱判断X应属于含有羟基的化合物。

由核磁共振氢谱判断X分子中有四种不同类型的氢原子，若羟基氢原子数为3（两种类型氢原子），则烃基氢原子数为5且有两种类型。

由相对分子质量减去已知原子的相对原子质量就可求出碳原子的个数：

＝3。

故分子式为C3H8O3。

羟基氢原子有两种类型，判断三个羟基应分别连在三个碳原子上，推知结构简式为

答案　

探究二　手性碳原子

【例2】在有机物分子中，若碳原子连接四个不同的原子或原子团，该碳原子称为不对称碳原子（或手性碳原子），以*C表示。

具有手性碳原子的有机物具有光学活性。

下列分子中，没有光学活性的是________，含有两个手性碳原子的是________。

A.乳酸　CH3—CHOH—COOH

B.甘油　CH2OH—CHOH—CH2OH

C.脱氧核糖　CH2OH—CHOH—CHOH—CH2—CHO

D.核糖　CH2OH—CHOH—CHOH—CHOH—CHO

解析　分析每个碳原子所连接的四个原子或原子团即可得到答案。

答案　B　C

【训练2】下列分子中指定的碳原子（用*标记）不属于手性碳原子的是（　　）

解析　手性碳原子的特点是其所连接的四个原子或原子团各个不同，而A项中的碳原子连接两个氢原子，故不是手性碳原子。

答案　A

探究三　有机化学反应机理

【例3】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，下列说法中正确的是（　　）

A.18O存在于所有物质中

B.18O仅存在于乙醇和乙酸乙酯中

C.18O仅存在于乙醇和水中

D.有的乙醇分子可能不含18O

解析　酯化反应的规律为“酸脱羟基醇脱氢，相互结合生成水”，即

乙酸乙酯水解时的断键方式是从形成的酯基处断开，即

因此18O只能存在于乙醇和乙酸乙酯中。

答案　B

【训练3】冰箱制冷剂氟氯甲烷在高空受紫外线辐射时产生Cl原子，并进行下列反应：

O3

O2＋O，Cl＋O3―→ClO＋O2，ClO＋O―→Cl＋O2下列说法不正确的是（　　）

A.反应过程中将O3转变为O2

B.Cl原子是总反应的催化剂

C.氟氯甲烷是总反应的催化剂

D.Cl原子起分解O3的作用

解析　本反应是自由基反应，Cl原子是总反应的催化剂：

2O33O2。

氟氯甲烷只是提供这种催化剂的物质，因此C选项不正确。

答案　C

课堂笔记：

虽然有机物的结构很复杂，我们可以根据有机物的性质，结合现代物理方法进行综合分析，从而推出有机物的结构。

要理解质谱是测相对分子质量的；核磁共振氢谱是确定氢原子的种类和数目比的；红外光谱是确定分子中化学键类型和基团。

至于有机反应的研究，这里只要掌握自由基反应和酯化反应即可。

1.下列说法不正确的是（　　）

A.元素分析仪可同时对有机物中碳、氢、氧、硫等多种元素进行分析，其特点是样品量少，速度快

B.1H核磁共振谱能反映出不同环境氢原子的种数和个数

C.根据红外光谱图的分析可初步判断有机物中具有哪些基团

D.同位素示踪法可用来确定有机反应中化学键的断裂位置

解析　1H核磁共振谱只能确定氢原子的种类和数目之比，无法确定氢原子的具体数目。

答案　B

2.CH4与Cl2反应机理是：

①Cl2·Cl＋·Cl；②·Cl＋CH4―→·CH3＋HCl；③·CH3＋Cl2―→·Cl＋CH3Cl。

则下列说法正确的是（　　）

A.可以得到纯净的CH3Cl

B.产物中最多的是HCl

C.该反应需一直光照

D.产物中CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4物质的量相等

解析　光照产生·Cl自由基后，就发生连锁反应，无需一直光照，在多个反应中均产生HCl。

答案　B

3.下列分子中含有手性碳原子的是（　　）

A.CF2Cl2B.CH3CH2OH

C.

D.CH2===CH—COOH

解析　手性碳原子连接四个不同的原子或原子团。

只有C项符合。

答案　C

4.一些治感冒的药物含有PPA成分，PPA对感冒有比较好的对症疗效，但也有较大的副作用，2000年11月，我国药监局紧急通知，停止使用含有PPA成分的感冒药，PPA是盐酸苯丙醇胺（phengpropanolamine的缩写），从其名称看，其有机成分的分子结构中肯定不含下列中的（　　）

A.—OHB.—COOH

C.—C6H5D.—NH2

解析　由有机物的名称分析：

其含有的官能团为苯（—C6H5）、醇（—OH）、胺（—NH2），不存在羧基。

答案　B

固基础

1.下列化合物分子的核磁共振氢谱图，能给出三种信号峰的是（　　）

A.CH3CH2CH3B.CH3—O—CH3

C.

D.

解析　有机物中含有几种不同类型的氢原子，在核磁共振氢谱上就能出现几种信号峰，现题给有机物在核磁共振氢谱图中有三种信号峰，这表明有机物分子中含有三种不同类型的氢原子。

答案　C

2.1838年李比希提出了“基”的定义，从此，有机化学中“基”的概念就被确定了，下列有机基团的表达式正确的是（　　）

A.羟基OH－B.醛基—COH

C.羧基COOH—D.甲基—CH3

答案　D

3.已知

在水溶液中存在平衡：

，当

与CH3CH2OH发生酯化反应时，不可能生成的是（　　）

解析　由题意可得，

在水溶液中可重组成

，即相当于两种乙酸分子与乙醇发生酯化反应：

＋HO—C2H5

＋H2O；

＋HO—C2H5

＋HO。

所以不可能生成的产物是A。

答案　A

4.已知CH4与Cl2反应的产物中除CH3Cl外还有CH2Cl2、CHCl3、CCl4。

下列关于生成CH2Cl2的过程中，可能出现

的是（　　）

A.2Cl＋CH4→2HCl＋CH2Cl

B.CH2Cl＋Cl2→CH2Cl2＋Cl

C.CH2Cl＋Cl→CH2Cl2

D.CH3Cl＋HCl→CH2Cl2＋H2

答案　C

5.若液氨相当于地球上的水，它可满足木星上生物生存的需要，那么木星上生物体内与地球上生物体内葡萄糖的分子结构相当的化合物是（　　）

A.CH2OH—（CHOH）4CHO

B.CH2NH2—（CHNH2）4CHO

C.CH2NH2—（CHNH2）4CH===NH

D.CH2OH—（CHOH）4CH===NH

解析　类比：

液氨与水的区别是一个含有氧原子，而一个含有的是N原子，所以，类似我们比照葡萄糖中把相应的氧元素换作氮元素即可。

答案　C

6.具有手性碳原子的物质往往具有旋光性，存在对映异构体。

下列化合物中存在对映异构体的是（　　）

A.

B.CH3CH3

C.甲烷

D.C6H5CH（CH3）OCH3

解析　存在对映异构，说明分子中有手性碳原子。

答案　D

7.为了确定乙醇分子的结构简式是CH3—O—CH3还是CH3CH2OH，实验室利用如图所示的实验装置，测定乙醇与钠反应（ΔH＜0）生成氢气的体积，并据此计算乙醇分子中能与金属钠反应的氢原子的数目。

试回答下列问题：

（1）指出实验装置中的错误______________________________________________。

（2）若实验中用含有少量水的乙醇代替相同质量的无水乙醇，相同条件下，测得的氢气体积将________（填“偏大”、“偏小”或“不变”）。

（3）请指出能使该实验安全、顺利进行的关键实验步骤（至少指出两个关键步骤）___________________________________________________________________

_____________________________________________________________________。

解析　

（1）广口瓶的作用是排水量气，故短进长出；

（2）因为2Na＋2H2O===2NaOH＋H2↑，故测得的氢气体积偏大；（3）第一要检查装置的气密性，使所测得的氢气的体积的值尽量准确；第二钠要过量，保证乙醇完全反应；第三滴加乙醇的速度要慢，以保证安全。

答案　

（1）广口瓶中进气导管不应插入水中，排水导管应插至广口瓶底部　

（2）偏大　（3）检查实验装置的气密性；加入稍过量的金属钠；从漏斗中缓慢滴加无水乙醇（任选两点，合理即可）

8.分子式为C3H6O2的有机物，其结构有：

。

如果在1H核磁共振谱上观察到的氢原子给出的峰有两种情况。

第一种情况峰的强度比为3∶3，则其对应的结构简式为________（填序号，下同），第二种情况峰的强度比为3∶2∶1，则其对应的结构简式为________。

解析　第一种情况峰的强度比为3∶3，则表明该分子存在2种不同的氢原子，且它们的个数之比为3∶3，比较各结构，即可得出为化合物①；第二种情况峰的强度比为3∶2∶1，说明该分子含有三种氢原子，且它们的原子数之比为3∶2∶1，分析余下的3种有机分子，都符合这样的特征，故符合条件的为②③④。

答案　①　②③④

9.写出下列有机物中有几种H原子以及个数之比。

（1）CH3—CH2—OH________、________。

（2）

________、________。

（3）

________、________。

（4）

________、________。

解析　①同一碳原子上的氢原子是相同的。

②同一碳原子上所连的甲基是相同的。

③处于对称位置上的氢原子是相同的。

答案　

（1）3　1∶2∶3　

（2）2　1∶9　（3）4　1∶2∶3∶6

（4）1　12

提能力

10.

中发生水解反应，则生成乙醇的相对分子质量为（　　）

A.46B.47

C.48D.49

解析　酯水解原理：

＋H2O

＋H18OC2H5。

答案　C

11.分子式为C3H6的二元混合物，如果在核磁共振氢谱上观察到氢原子给出的峰有两种情况。

第一种情况只有一个吸收峰；第二种情况峰给出的强度为3∶2∶1。

由此推断混合物的组成是（写结构简式）___________________________________。

解析　核磁共振氢谱只有一种峰，则表明该物质只有一种氢原子；结合分子式，应为环丙烷，另外一种的核磁共振氢谱有三个峰，可得该分子中有三中不同环境的氢原子，又且强度之比为3∶2∶1，可知其为丙烯。

答案　

与CH2===CH—CH3

12.某烃的衍生物A，仅含C、H、O三种元素。

（1）若使9.0gA汽化，测其密度是相同条件下H2的45倍，则A的相对分子质量为________。

（2）若将9.0gA在足量O2中充分燃烧的产物依次缓缓通过浓H2SO4、碱石灰，发现两者分别增重5.4g和13.2g，则A的分子式是________。

（3）若9.0gA与足量NaHCO3、足量Na分别反应，生成气体的体积都为2.24L（标准状况），则A中含有的官能团为________。

（4）A的核磁共振氢谱图中有四种吸收峰，面积之比为3∶1∶1∶1，则A的结构简式是________。

答案　

（1）90　

（2）C3H6O3　（3）羧基、羟基

（4）CHCH3OHCOOH

13.某含氧有机物中含碳的质量分数为64.86%，氢的质量分数为13.5%，该有机物的实验式是________，结合该有机物的质谱图，该有机物的相对分子质量为：

________，分子式为：

________。

解析　氧的质量分数为：

1－64.86%－13.5%＝21.64%，C∶H∶O＝∶∶＝4∶10∶1，则最简式为：

C4H10O。

从质谱图读出，74为最大值，即该有机物的相对分子质量为74，对比最简式的相对分子质量，刚好也为74，所以最简式即为分子式。

答案　C4H10O　74　C4H10O