第二单元--科学家怎样研究有机物

专题1认识有机化合物第二单元科学家怎样研究有机物2020年9月3日星期四2、有机物有哪些不同于无机物的性质？3、从自然界中提取的有机物是纯净物吗？1、有机化合物中通常含有哪些元素？组成元素：C、H、ON、P、S、卤素等（1）多数不溶于水，易溶于有机溶剂；（2）多数不耐热，熔点较低，一般在400℃以下（3）多数可以燃烧；（4）多数是非电解质；（共价化合物）（5）有机反应一般比较复杂，副反应多，反应速率较慢。思考科学家研究有机物经历了几个阶段提纯、分离出纯净的有机物研究有机物的组成、结构、性质和应用设计、合成有机化合物有机化合物的研究步骤：有机物（纯净）有机物的性质结构式（有哪些官能团）确定分子式首先要确定有机物中含有哪些元素？定性分析然后要知道这些元素的含量定量测定定性分析方法一般来说，有机物完全燃烧后，各元素对应的产物为C→CO2，H→H2O，Cl→HCl。如：某有机物完全燃烧后，若产物只有CO2和H2O，其元素组成为。肯定有C、H,可能有O[例1]3.2克某有机物在纯氧中燃烧，只生成4.4gCO2和3.6gH2O，则该化合物由哪些元素组成？(1)燃烧法一、有机化合物组成的研究m(有机物)＞m(C)＋m(H)→有机物中含有氧元素m(有机物)＝m(C)＋m(H)→有机物中不含氧元素⑵其它常见的元素测定方法①钠融法可定性确定有机物中是否存在等元素，这些元素分别以等的形式存在。②铜丝燃烧法可定性确定有机物中是否存在。③元素分析仪可同时对等多种元素进行分析。N、Cl、Br、S卤素C、H、O、S氰化钠、氯化钠、溴化钠、硫化钠定量测定元素的含量1、李比希元素分析法1831年,李比希最早提出测定有机化合物中碳氢元素质量分数的方法。“李比希元素分析法”的原理：取定量含C、H（O）的有机物加氧化铜氧化H2OCO2用高氯酸镁吸收用碱石棉吸收得前后质量差得前后质量差计算C、H含量计算O含量得出实验式[例2]一定量的某烃与足量氧气混合，通入电炉中完全燃烧后，高氯酸镁[Mg(ClO4)2]增重7.2g，烧碱石棉增重8.8g，试确定该物质的最简式。解：n(C)=n(CO2)=m(CO2)M(CO2)=8.8g44g/mol=0.2moln(H)=2n(H2O)=2m(H2O)M(H2O)=7.2g×218g/mol=0.8mol该烃的实验式为：CH4思考：能否确定该烃的分子式?为什么?[例3]实验测得某碳氢化合物A中含碳80%，含氢20%，求A的最简式。要求出A的分子式还需要哪些条件？分子式有机物中各元素原子的质量分数或质量比最简式(1)标准状况下A的密度为1.34g/L(2)相同条件下A对H2的相对密度为15标况密度（或相对密度）相对分子质量归纳：确定相对分子质量的常见方法：（1）根据标况下气体的密度求：M=22.4L/mol▪ρg/L=22.4ρg/mol（2）依据气体的相对密度：M1=DM2(D:相对密度)（3）求混合物的平均式量：（4）运用质谱法来测定相对分子质量确定相对分子质量→确定分子式相对分子质量的测定——质谱仪用高能电子束轰击有机物分子，使之分离成带电的“碎片”，并根据“碎片”的某些特征谱分析有机物结构的方法。由于相对质量越大的分子离子的质荷比越大，达到检测器需要的时间越长，因此谱图中的质荷比最大的就是未知物的相对分子质量①原理：②用途：利用谱图中的质荷比最大的就是未知物的相对分子质量分子离子与碎片离子的相对质量与其电荷的比值[例4]2002年诺贝尔化学奖获得者的贡献之一是发明了对有机物分子进行结构分析的质谱法。其方法是让极少量的（10－9g）化合物通过质谱仪的离子化室使样品分子大量离子化，少量分子碎裂成更小的离子。如C2H6离子化后可得到C2H6＋、C2H5＋、C2H4＋……，然后测定其质荷比。某有机物样品的质荷比如右图所示（假设离子均带一个单位正电荷，信号强度与该离子的多少有关），则该有机物可能是A甲醇B甲烷C丙烷D乙烯【练一练】某有机物的结构确定过程前两步为：①测定实验式：某含C、H、O三种元素的有机物，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%,则其实验式是（）。②确定分子式：下图是该有机物的质谱图，则其相对分子质量为（），分子式为（）。C4H10O74C4H10O元素分析仪速度快，可以同时对碳、氢、氧、硫等多种元素进行分析，分析试样可以是易挥发或难熔物质。元素分析仪与计算机连接，可进行存储和统计分析,并可根据要求生成各种形式的分析报告。结论准确，精度高，速度快现在人们常借助元素分析仪来确定有机化合物的组成.元素分析仪是在不断通入氧气流的条件下,把样品加热至950-1200℃，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，分析元素含量所需的样品质量小,分析元素分析仪分析法——测定元素组成及相对分子质量。[练习1]9.2g某有机物A在过量氧气中完全燃烧后，将生成的产物先通过浓硫酸增重7.2g，后通过碱石灰增13.2g，剩余气体只有氧气。又知，测得该化合物的蒸气对乙醇的相对密度是2，求该化合物的分子式。C3H8O3归纳确定有机化合物的分子式的方法有哪些?[方法一]有机物燃烧产物碳氢等元素质量分数实验式(最简式)相对分子质量有机物的分子式[方法二]知道一个分子中各种原子的个数1mol物质中的各种原子的物质的量1mol物质中各原子（元素）的质量÷原子的摩尔质量1mol物质中各种原子（元素）的质量=物质的摩尔质量×各种原子（元素）的质量分数=二、有机化合物结构的研究德国化学家李比希（1803～1873）1832年和维勒合作提出“基团论”：有机化合物由“基”组成，这类稳定的“基”是有机化合物的基础。1838年李比希还提出了“基”的定义不同的基团有不同的结构和性质：羟基-OH醛基-CHO羧基-COOH氨基-NH2烃基-R例题：有机化合物中不含有的基团是()A.醛基B.羧基C.羟基D.烃基HCOHOD现代化学测定有机物结构的方法：•核磁共振(NMR)•红外光谱(IR)氢原子种类不同（所处的化学环境不同）特征峰也不同请根据乙醇分子的结构思考以下问题：1、乙醇分子中有几种不同化学环境的氢原子？2、图1—9是分子式为C2H6O的两种有机化合物的H核磁共振谱图，你能分别出哪一幅是乙醇的H-NMR谱图吗？请与同学们交流你作出判断的理由。核磁共振判断“等效氢原子”法：①同一碳原子上的氢原子等效；②同一碳原子所连甲基上的氢原子等效；③处于镜面对称位置上的氢原子等效。补充知识：[练习4]已知某有机物的分子式为C4H10，其核磁共振谱图如下所示，请写出它的结构式[练习5]已知某有机物的分子式为C3H6O，其核磁共振谱图如下所示，请写出它的结构式[练习6]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”。在化学上经常使用的是氢核磁共振谱，它是根据不同化学环境的氢原子在氢核磁共振谱中给出的信号不同来确定有机物分子中的不同的氢原子。下列有机物分子在核磁共振氢谱中只给出一种信号的是AHCHOBCH3OHCHCOOHDCH3COOCH3√[练习7]分子式为C3H6O2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。第一种情况峰给出的强度为1︰1；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可能是（写结构简式）。答案：CH3COOCH3；CH3CH2COOH、HCOOCH2CH3、CH3COCH2OH（2）有机物中基团种类的确定———红外光谱（IR）红外光谱仪①原理：②用途：通过红外光谱可以推知有机物含有哪些化学键、官能团在有机物分子中，组成化学键或官能团的原子处于不断振动的状态，其振动频率与红外光的振动频率相当。所以，当用红外线照射有机物时，分子中的化学健或官能团可发生振动吸收，不同的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。【例6】下图是一种分子式为C4H8O2的有机物的红外光谱谱图,则该有机物的结构简式为：C—O—CC=O不对称CH3CH3COOCH2CH3【练习8】有一有机物的相对分子质量为74，确定分子结构，请写出该分子的结构简式C—O—C对称CH3对称CH2CH3CH2OCH2CH3【练习9】一个有机物的分子量为70,红外光谱表征到碳碳双键和C＝O的存在，核磁共振氢谱列如下图：②写出该有机物的可能的结构简式：①写出该有机物的分子式：C4H6OCH3CH=CHCHO说明：这四种峰的面积比是：1：1：1：3图谱题解题建议：1、首先应掌握好三种谱图的作用、读谱方法。2、必须尽快熟悉有机物的类别及其官能团。3、根据图谱获取的信息，按碳四价的原则对官能团、基团进行合理的拼接。4、得出结构（简）式后，再与谱图提供信息对照检查，主要为分子量、官能团、基团的类别是否吻合。手性分子在生命科学和生产手性药物方面有广泛的应用。如图所示的分子，是由一家德国制药厂在1957年10月1日上市的高效镇静剂，中文药名为“反应停”，它能使失眠者美美地睡个好觉，能迅速止痛并能够减轻孕妇的妊娠反应。然而，不久就发现世界各地相继出现了一些畸形儿，后被科学家证实，是孕妇服用了这种药物导致的随后的药物化学研究证实，在这种药物中，只有图左边的分子才有这种毒副作用，而右边的分子却没有这种毒副作用。人类从这一药物史上的悲剧中吸取教训，不久各国纷纷规定，今后凡生产手性药物，必须把手性异构体分离开，只出售能治病的那种手性异构体的药物。“反应停”事件诺贝尔化学奖与不对称合成2001年度诺贝尔化学奖授予给三位科学家，他们分别是美国科学家诺尔斯、日本科学家野依良治及美国科学家夏普雷斯。得奖理由：在手性催氢化反应研究方面做出卓越贡献,对有机化合物进行了不对称合成。他们的研究成果涉及到手性分子与对映异构。什么是手性分子与对映异构？在化学物质的“海洋中，是否存在分子组成和原子连接方式完全相同的两种分子，由于分子中的原子在空间排列不同，而互为同分异构体?思考：顺反异构CCHH3CCH3HCCHH3CHCH3认识有机物的立体异构CCH3HOCOOHHCCH3OHHOOCH对映异构认识有机物的立体异构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)；是否存在两种分子，它们犹如一个人的左右手，其中一只手只有在镜像中才能与另一只手完全重叠?手性分子丙氨酸的结构模型丙氨酸分子CH3-CH-COOHCH3手性碳原子L-丙氨酸可使偏振光向右旋转，D-丙氨酸则可使偏振光向左旋转。镜像，不仅仅是你熟悉的一个生活现象。用于测手性化合物旋光性的偏振计及其原理例题：具有手性碳原子的物质往往具有旋光性，存在对映异构体，如等，下列化合物中存在对映异构体的是()A．B．CH3CH3C．甲烷D．C6H5CH(CH3)OCH3D规律：判断一种有机物是否具有手性异构体，可以看其含有的碳原子是否连有_____个不同的原子或原子团，符合上述条件的碳原子叫做手性碳原子。四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．CH3CHCH2CH3B．CH3CH3C．甲烷D．CH3COOHA练习：Cl下列有机物CH3—C—O—CH2—CH—CHO含有一个手性碳原子(标有“*”的碳原子)，具有光学活性。当发生下列化学反应时，生成新的有机物无光学活性的是A．与银氨溶液反应B．与甲酸在一定条件下发生酯化反应C．与金属钠发生反应D．与H2发生加成反应O*CH2OH复习：研究有机化合物的一般步骤和方法分离、提纯元素定量分析确定实验式测定相对分子质量确定分子式波谱分析确定结构式步骤方法蒸馏重结晶萃取红外光谱核磁共振氢谱质谱法元素分析结构相对分子质量组成三、有机化学反应的研究——机理与方法有机化学反应需要什么条件、受哪些因素的影响、反应机理如何等等，这些都是科学家们研究的课题。通过实例理解有机反应的机理甲烷氯代反