高中化学 322《有机化合物结构式的确定》学案2鲁科版选修5.docx
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高中化学322《有机化合物结构式的确定》学案2鲁科版选修5
第2课时 有机化合物结构式的确定
[学习目标定位] 1.能利用官能团的化学检验方法鉴定单官能团化合物分子中是否存在碳碳双键、碳碳叁键、卤素原子、醇羟基、酚羟基、醛基、羧基等，初步了解测定有机物结构的现代方法。
2.能根据有机化合物官能团的定性鉴定结果及相关图谱提供的分析结果判断和确定某种有机化合物样品的组成和结构。
1．常见官能团的化学检验方法
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
红棕色褪去
酸性KMnO4溶液
紫色褪去
卤素原子
NaOH水溶液、稀HNO3
和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
有白色沉淀生成
醛基
银氨溶液
有银镜产生
新制Cu（OH）2悬浊液
有砖红色沉淀产生羧基
NaHCO3溶液
有CO2气体放出
2.有机化合物的结构测定广泛应用于有机合成、分子生物学、医药学以及石油化工、环境科学、材料科学和国防科学等领域。
根据所学知识，回答下列问题：
（1）分子式为C4H6的烃分子中可能含有的碳碳键类型是
。
（2）分子式为C3H6O的有机物可能的结构简式是
CH2===CH—CH2OH等。
（3）由分子式确定有机物的结构，一是要判断分子中的碳链结构和碳键类型，二是要确定官能团的种类及所处的位置。
探究点一 不饱和度的计算
1．不饱和度又名“缺氢指数”。
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分子中是否含有双键、叁键或碳环等不饱和结构单元的信息。
（1）不饱和度的计算公式
不饱和度＝n（C）＋1－
式中n（C）表示碳原子数目，n（H）表示氢原子数目，有机物中所含氧原子数与不饱和度无关，若含N原子则用氢原子数减去氮原子数，若含X原子，则将其视为氢原子进行计算。
（2）烷烃分子饱和程度最大，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。
2．试计算下列化学式所表示的有机化合物的不饱和度，并分析可能存在的结构单元。
（1）C2H4___________________________________________________________________；
（2）C3H5Cl________________________________________________________________；
（3）C7H14O2________________________________________________________________。
答案
（1）不饱和度为1，分子中含有一个碳碳双键
（2）不饱和度为1，分子中含有一个碳碳双键或一个碳环
（3）不饱和度为1，分子中可能含有一个羧基或一个酯基，也可能含有一个碳碳双键，氧原子形成的是醇羟基或醚键
解析 根据不饱和度的计算公式：
分子的不饱和度＝n（C）＋1－
，卤素原子当成氢原子看待，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。
（1）不饱和度为1，分子中含有一个碳碳双键。
（2）不饱和度为1，分子中含有一个碳碳双键或一个碳环。
（3）不饱和度为1，分子中可能含有一个羧基或一个酯基，也可能含有一个碳碳双键，氧原子形成的是醇羟基或醚键。
[归纳总结]
几种官能团的不饱和度：
化学键
不饱和度
化学键
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
[活学活用]
1．某链烃的化学式为C200H202，已知该分子中叁键数与双键数之比为2∶1，则其双键数目为（ ）
A．50B．40C．30D．20
答案 D
解析 可利用链烃的不饱和度等于叁键和双键的不饱和度之和来计算，设双键数目为x，则叁键数目为2x，依不饱和度计算公式有：
200＋1－
＝1×x＋2×2x
解得x＝20。
2．某驱虫药的结构简式为
则它的分子式为________，它所含的官能团有________________________________________。
答案 C14H16O3 酯基、羰基（或酮羰基）、碳碳双键
解析 本题求分子式的常规解法是逐一数出各种原子的个数，再写出分子式，既麻烦又易出错，若用不饱和度公式求解，则只需先数出氢原子以外的其他原子数，再数出不饱和度，进而求出氢原子数即可。
其具体做法：
先数出有机物含有的C、O原子数，可设有机物的分子式为C14HxO2，而该有机物的不饱和度为7（含4个双键和3个碳环），其氢原子数＝2n（C）＋2－2×不饱和度＝2×14＋2－2×7＝16，故所得分子式为C14H16O3。
探究点二 有机物官能团的确定
1．根据题给条件，确定有机物的结构
（1）烃A分子式为C3H6且能使溴的四氯化碳溶液褪色，其结构简式为CH3—CH===CH2。
（2）实验测得某醇1mol与足量钠反应可得1mol气体，该醇分子中含羟基的个数是2。
（3）烃B的分子式为C8H18，其一氯代烃只有一种，其结构简式是
（4）化学式为C2H8N2的有机物经实验测定知，其分子中有一个氮原子不与氢原子相连，则确定其结构简式为
2．阅读下列材料，回答问题：
红外光谱（infraredspectroscopy）中不同频率的吸收峰反映的是有机物分子中不同的化学键或官能团的吸收频率，因此从红外光谱可以获得有机物分子中含有何种化学键或官能团的信息。
核磁共振氢谱（nuclearmagneticresonancespectra）中有多少个峰，有机物分子中就有多少种处于不同化学环境中的氢原子；峰的面积比就是对应的处于不同化学环境的氢原子的数目比。
（1）红外光谱在确定有机物分子结构中的作用是推知有机物分子含有的化学键和官能团。
（2）核磁共振氢谱在确定有机物分子结构中的作用是推知有机物分子中氢原子的个数及在碳骨架上的位置。
（3）分析乙醇和甲醚的核磁共振氢谱，填写下表：
乙醇
甲醚
核磁共振氢谱
结论
氢原子类型＝吸收峰数目＝3，
不同氢原子的个数之比＝不同吸收峰的面积之比＝2∶1∶3
氢原子类型＝吸收峰数目＝1，
只有一种类型的氢原子
[归纳总结]
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官能团或化学键。
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
不同氢原子个数比＝不同吸收峰面积比
（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官能团的特征反应→定性实验→确定有机物中可能存在的官能团。
③通过定量实验，确定有机物中的官能团及其数目。
[活学活用]
3．下列化合物分子，在核磁共振氢谱图中能给出三种信号峰的是（ ）
答案 C
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。
4．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键的烃基上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___________。
答案
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
。
有机物结构的确定方法思路
1．鲨鱼是世界上惟一不患癌症的动物，科学研究表明，鲨鱼体内含有一种角鲨烯，具有抗癌性。
已知角鲨烯分子中含有30个碳原子，其中有6个碳碳双键且不含环状结构，则其分子式为（ ）
A．C30H60B．C30H56C．C30H52D．C30H50
答案 D
解析 由题意，角鲨烯分子不饱和度为6，分子中的氢原子数应该比C30H62少12个。
2．科学家最近在－100℃的低温下合成了一种烃X，红外光谱和核磁共振氢谱表明其分子中的氢原子所处的化学环境没有区别，根据分析，绘制了该分子的球棍模型如图所示。
下列说法中不正确的是（ ）
A．该分子的分子式为C5H4
B．该分子中碳原子的化学环境有2种
C．该分子中的氢原子分布在两个相互垂直的平面上
答案 D
解析 由题图所示可知该烃的分子式为C5H4，碳原子化学环境有2种（中间和上下碳原子不同），碳原子所成化学键数目（以单键算）为4，但上下碳原子只和3个原子相连，所以碳和碳中间应该有双键。
3．某含碳、氢、氧三种元素的有机物X质谱图如图所示。
经燃烧分析实验测定其碳的质量分数是64.86%，氢的质量分数是13.51%，该有机物的分子式是________。
答案 C4H10O
解析 常用实验式和相对分子质量来确定有机物的分子式。
本题可以根据题目中所给各元素的质量分数求出该有机物的实验式，再分析该有机物的质谱图找出相对分子质量，进而求出分子式。
由题意可知，氧的质量分数为1－64.86%－13.51%＝21.63%。
各元素原子个数比：
N（C）∶N（H）∶N（O）＝
∶
∶
≈4∶10∶1。
故该有机物的实验式为C4H10O，实验式的相对分子质量为74。
观察该有机物的质谱图，质荷比最大的数值为74，即其相对分子质量为74，所以该有机物的分子式为C4H10O。
4．质子核磁共振谱（PMR）是研究有机化合物结构的有力手段之一，在所研究化合物的分子中，每一结构中的等效氢原子，在PMR谱中都给出了相应的峰（信号），谱中峰的强度与结构中的氢原子数成正比。
化学式为C3H6O2的二元混合物，如果在PMR谱上观察氢原子给出的峰有两种情况：
第一种情况峰的给出强度为3∶3；第二种情况峰的给出强度为3∶2∶1。
由此可推断混合物的组成可能是（写结构简式）____________________。
答案 CH3COOCH3 CH3CH2COOH
解析 C3H6O2当峰强度为3∶3时，我们可以知道有两种类型的氢，而且两种类型的氢的数目相等，因此该物质是CH3COOCH3。
第二种情况峰强度为3∶2∶1，可知共有三种类型的氢，氢的个数比为3∶2∶1，由此我们写出了CH3CH2COOH的化学式。
5．为测定某有机物A的结构，设计了如下实验：
①将2.3g该有机物完全燃烧，生成了0.1molCO2和2.7gH2O；②用质谱仪实验得质谱图；③用核磁共振仪处理该化合物得核磁共振氢谱图，图中三个峰的面积比为1∶2∶3。
试回答下列问题：
（1）有机物A的相对分子质量为__________。
（2）有机物A的实验式为____________。
（3）根据A的实验式________（填“能”或“不能”）确定A的分子式。
（4）A的分子式为________，结构简式为________。
答案
（1）46
（2）C2H6O （3）能
（4）C2H6O CH3CH2OH
解析 质谱图中最大质荷比即为有机物的相对分子质量，所以根据质谱图可知A的相对分子质量为46。
2.3gA完全燃烧生成0.1molCO2和2.7gH2O，则可计算出A的分子式为（C2H6O）n，即A的实验式为C2H6O。
由于H原子已经饱和，所以该实验式就是分子式。
根据核磁共振氢谱图可知，A中有三种化学环境不同的H原子且数目之比为1∶2∶3，又因为A的通式符合饱和一元醇的通式，所以A的结构简式为CH3CH2OH。
[基础过关]
一、确定有机物的不饱和度
1．下列说法不正确的是（ ）
A．有机分子中插入O原子对不饱和度没有影响
B．有机分子中去掉H原子对不饱和度没有影响
C．用CH原子团代替有机分子中的N原子对有机分子的不饱和度没有影响
D．烷烃和饱和一元醇的不饱和度都为0
答案 B
2．有机物
的不饱和度为（ ）
A．8B．7C．6D．5
答案 C
解析 该有机化合物的分子式为C14H18，由计算公式：
不饱和度＝n（C）＋1—
＝14＋1—
＝6。
二、由化学特性确定有机物的结构
3．把1mol饱和醇分成两等份，其中一份充分燃烧生成1.5molCO2，另一份与金属钠充分作用，在标准状况下生成11.2LH2，该醇可能是（ ）
答案 B
解析 由生成的CO2的物质的量可推知醇分子中含三个碳原子，由生成的氢气的体积可推算出醇分子中含两个—OH。
4．化学式为C4H8O3的有机物，在浓硫酸存在并加热时，有如下性质：
①能分别与CH3CH2OH和CH3COOH反应；②脱水生成能使溴水褪色的物质，该物质只存在一种结构简式；③能生成一种分子式为C4H6O2的五元环状化合物。
则C4H8O3的结构简式为（ ）
A．HOCH2COOCH2CH3
B．CH3CH（OH）CH2COOH
C．HOCH2CH2CH2COOH
D．CH3CH2CH（OH）COOH
答案 C
解析 ①说明其分子中含有羧基和羟基两种官能团，可排除A选项；根据②可排除B选项，因为B脱水生成的能使溴水褪色的物质存在两种结构简式；根据③可知选项C正确，排除选项D，因为D不能生成分子式为C4H6O2的五元环状化合物。
5．标准状况下1mol某烃完全燃烧时，生成89.6LCO2，又知0.1mol此烃能与标准状况下4.48LH2加成，则此烃的结构简式是（ ）
A．CH3CH2CH2CH3
B．CH3—C≡C—CH3
C．CH3CH2CH===CH2
D．CH2===CH—CH===CH—CH3
答案 B
解析 由题意知：
n（CO2）＝
＝4mol，该烃含4个碳原子；由0.1mol该烃可与0.2molH2加成可知结构中有一个叁键或两个碳碳双键，可排除选项A、C，根据碳原子数排除D项。
6．燃烧0.1mol某有机物得0.2molCO2和0.3molH2O，由此得出的结论不正确的是（ ）
A．该有机物分子的结构简式为CH3—CH3
B．该有机物中碳、氢元素原子数目之比为1∶3
C．该有机物分子中不可能含有
D．该有机物分子中可能含有氧原子
答案 A
解析 n（有机物）∶n（CO2）∶n（H2O）＝0.1mol∶0.2mol∶0.3mol＝1∶2∶3，所以n（有机物）∶n（C）∶n（H）＝1∶2∶6，故该有机物的分子式为C2H6Ox。
三、由光谱分析确定有机物的结构
7．甲醚和乙醇是同分异构体，其鉴别可采用化学方法或物理方法，下列鉴别方法中不能对二者进行鉴别的是（ ）
A．利用金属钠或者金属钾
B．利用质谱法
C．利用红外光谱法
D．利用核磁共振氢谱
答案 B
解析 质谱法是用于测定相对分子质量的。
8．某化合物由碳、氢、氧三种元素组成，其红外光谱图中有C—H键、O—H键、C—O键的振动吸收，该有机物的相对分子质量是74，则该有机物的结构简式是（ ）
A．CH3CH2OCH3B．CH3CH（OH）CH3
C．CH3CH2CH2CH2OHD．CH3CH2CHO
答案 C
解析 A项中无O—H键，故错误；B的相对分子质量为60，故错误；D选项中无C—O键，故错误。
9．下列有机物分子在核磁共振氢谱中只给出一种信号的是（ ）
A．HCHOB．CH3OH
C．HCOOHD．CH3COOCH3
答案 A
10．在核磁共振氢谱中出现两组峰，其氢原子数之比为3∶2的化合物为（ ）
答案 D
解析 因为在核磁共振氢谱中出现两组峰，说明该有机物分子中处在不同化学环境中的氢原子有两种，且根据题意这两种氢原子个数之比为3∶2，分析四个选项：
A项中处在不同化学环境中的氢原子有2种，其个数比为6∶2，不合题意；B项如图所示：
，氢原子有3种，其个数比为3∶1∶1，不合题意；C项如图所示：
，氢原子有3种，其个数比为6∶2∶8，不合题意；D项如图所示：
，氢原子有2种，其个数比为3∶2，符合题意。
[能力提升]
11．合成分子量在2000～5000范围内具有确定结构的有机物是一个新的研究领域，1993年报道合成了两种烃A和B，A的化学式为C1134H1146，A分子中只含有三种结构单元：
①
（不饱和度为4）、②—C≡C—（不饱和度为2）、③（CH3）3C—。
（1）在烃A的分子中含有的上述结构单元数目分别为①______、②______、③______。
（2）若另一种烃B的分子式为C1398H1278，则该烃的不饱和度为________；若B的结构与A相似，只是B分子中多了一些结构为
的结构单元，则B的分子中多了______个这样的结构单元。
答案
（1）94 93 96
（2）760 33
解析
（1）设在烃A中含①单元x个，②单元y个，③单元z个，依题意可得如下方程：
6x＋2y＋4z＝1134（碳原子数守恒）
3x＋9z＝1146（氢原子数守恒）
4x＋2y＝
（不饱和度）
联立上述三个方程解得
x＝94，y＝93，z＝96。
（2）B（C1398H1278）的不饱和度Ω为
Ω＝
＝760。
由于在每个
单元中含有8个碳原子，4个氢原子，所以B比A多出的结构单元
数为
＝33
或
＝33。
12．某有机物A（C4H6O5）广泛存在于许多水果内，尤以苹果、葡萄、西瓜、山楂内为多。
该化合物具有如下性质：
①在25℃时，电离常数K1＝3.99×10－4mol·L－1，K2＝5.5×10－6mol·L－1；②A＋RCOOH（或ROH）
有香味的产物；③1molA慢慢产生1.5mol气体；④A在一定温度下的脱水产物（不是环状化合物）可和溴水发生加成反应。
试完成下列问题：
（1）根据以上信息，对A的结构可作出的判断是___________________。
a．肯定有碳碳双键b．有两个羧基
c．肯定有羟基d．有—COOR官能团
（2）有机物A的结构简式（不含—CH3）为________________。
（3）A在一定温度下的脱水产物和溴水反应的化学方程式为_______________。
（4）写出含—CH3的A的同分异构体________________（写一种即可）。
答案
（1）bc
13．三聚氰胺最早被李比希于1834年合成，它有毒，不可用于食品加工或食品添加剂。
经李比希法分析得知，三聚氰胺分子中，氮元素的含量高达66.67%，氢元素的质量分数为4.76%，其余为碳元素。
它的相对分子质量大于100，但小于150。
试回答下列问题：
（1）分子式中原子个数比N（C）∶N（H）∶N（N）＝__________________________。
（2）三聚氰胺分子中碳原子数为________，理由是_________________（写出计算式）。
（3）三聚氰胺的分子式为___________________________。
（4）若核磁共振氢谱显示只有1个吸收峰，红外光谱表征有1个由碳氮两种元素组成的六元杂环。
则三聚氰胺的结构简式为______________________。
答案
（1）1∶2∶2
（2）3
＜N（C）＜
，即2.4＜N（C）＜3.6，又N（C）为正整数，所以N（C）＝3
（3）C3H6N6
解析
（1）N（C）∶N（H）∶N（N）＝
∶
∶
＝1∶2∶2。
（2）
＜N（C）＜
，即2.4＜N（C）＜3.6，又N（C）为正整数，所以N（C）＝3。
（3）因为N（C）∶N（H）∶N（N）＝1∶2∶2，又N（C）＝3。
所以，分子中N（C）、N（H）、N（N）分别为3、6、6。
（4）核磁共振氢谱显示只有1个吸收峰，说明是对称结构，这6个H原子的环境相同，又碳为四价元素，氮为三价元素，六元环中C、N各有3个原子交替出现。
[拓展探究]
14．对羟基苯甲酸丁酯（俗称尼泊金丁脂）可用作防腐剂，对酵母和霉菌有很强的抑制作用，工业上常用对羟基苯甲酸与丁醇在浓硫酸催化下进行酯化反应而制得。
以下是某课题组开发的从廉价、易得的化工原料出发制备对羟基苯甲酸丁酯的合成路线：
已知以下信息：
①通常在同一个碳原子上连有两个羟基不稳定，易脱水形成羰基；
②D可与银氨溶液反应生成银镜；
③F的核磁共振氢谱表明其有两种不同化学环境的氢，且峰面积比为1∶1。
回答下列问题：
（1）A的化学名称为__________；
（2）由B生成C的化学反应方程式为____________________________________________，
该反应的类型为____________；
（3）D的结构简式为_______________________；
（4）F的分子式为____________；
（5）G的结构简式为________________；
（6）E的同分异构体中含有苯环且能发生银镜反应的共有________种，其中核磁共振氢谱有三种不同化学环境的氢，且峰面积比为2∶2∶1的是____________（写结构简式）。
答案
（1）甲苯
解析
（1）由题意知A为甲苯，根据反应的条件和流程分别确定B、C、D、E、F、G的结构。
（2）由光照条件知B生成C的反应为甲基的取代反应。
（3）由信息①知
发生取代反应，
然后失水生成
。
（4）E为
，在碱性条件下反应生成
。
（5）F在酸性条件下反应生成对羟基苯甲酸。
（6）限定条件的同分异构体的书写：
①有醛基；②有苯环；③注意苯环的邻、间、对位置。
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