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选修3第3章第2节有机化合物结构的测定——有机化合物结构式的确定
第2课时 导学案
【课标分析】
1．知道红外光谱、核磁共振等现代仪器分析方法在有机化合物分子结构测定中的应用。
2．知道常见官能团的鉴别方法，培养学生实验探究与创新意识。
【教学目标】
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或三键、卤素原子、醇羟基、酚羟基、醛基和羧基等常见官能团。掌握简单有机物分子不饱和度的确定方法。
2．初步了解一些测定有机化合物结构的现代手段。
3．懂得有机化合物结构的测定是有机化合物合成的重要环节。熟练掌握各种官能团的检验方法。　　
4．培养和提升在学生有机化合物结构测定方面的能力，培养实验探究与创新意识。
【评价目标】
1．了解有机化合物结构测定的实用价值与关键问题。
2．掌握有机化合物中不饱和度的确定方法和官能团的化学检验方法。
3．初步了解一些测定有机化合物结构的现代手段。
4．掌握有机化合物结构测定的一般程序，培养和提升学生在有机化合物结构测定方面的能力。
【教学重难点】
重点：机化合物中不饱和度的确定；官能团的化学检验与推断。
难点：官能团的化学检验与推断；同分异构体的书写及数目的判断。
【教法与学法】
1．现代仪器分析法。通过红外光谱、核磁共振图谱等信息分析判断有机化合物的分子结构。
2．实验探究法。通过教材P130“活动·探究”有机化合物中常见官能团的检验，学会通过实验探究推断有机化合物中的官能团。
【教学准备】
实验药品、课件
【教学过程】
【复习引入】
1．有机化合物元素组成的测定方法及步骤
2．有机化合物相对分子质量的测定
(1) 通过实验，根据有关数据求算相对分子质量。
(2) 有机物的相对分子质量一般用________进行测定。
3．有机化合物分子式的确定
有机化合物的分子式＝(实验式)n，n＝。
【微点拨】
吸收CO2和H2O时要注意先后顺序，应先吸收H2O，后吸收CO2，以分别确定氢、碳元素的质量分数(一般用浓硫酸吸收H2O，用碱石灰吸收CO2)。
实验式：表示化合物分子中所含各元素的原子数目最简整数比的式子。实验式又叫最简式。
求解某物质分子实验式的公式为n(C)∶n(H)∶n(N)∶n(Cl)∶n(O)＝[m(C)/12]∶[m(H)/1]∶[m(N)/14]∶[m(Cl)/35．5]∶[m(O)/16]＝a∶b∶c∶d∶e，因此该物质分子的实验式为CaHbNcCldOe。
判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)
只根据有机物完全燃烧生成CO2和H2O，不能确定该有机物一定为烃。(　　)
在有机物样品中加入酸性KMnO4溶液，紫色褪去，说明有机物中一定含有碳碳双键或三键。(　　)
只要通过定性定量分析得到有机物的元素组成，即可确定有机物的分子式。(　　)
有机化合物分子式一定不与其最简式相同。(　　)
燃烧0．1 mol某有机化合物得到0．2 mol CO2和0．3 mol H2O，不能由此确定有机化合物的分子式。
【自主检测】
1．判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)。
(1) 根据实验式CH4O可以确定分子式为CH4O。 (　　)
(2) 根据红外光谱可以确定有机物中化学键种类。 (　　)
(3) 核磁共振氢谱中，有几个吸收峰就说明有几个氢原子。 (　　)
(4) CH3CH2CH2OH的核磁共振氢谱中，有3个吸收峰，且吸收峰面积比为4∶3∶1。 (　　)
(5) 某有机化合物的核磁共振氢谱图如图所示，该有机化合物有4种不同化学环境的氢原子，个数比为1∶1∶1∶1。 (　　)
【合作探究】
任务1　有机物不饱和度的计算
【必备知识】
一、确定有机化合物结构式的流程
二、有机物不饱和度的计算
1．不饱和度的计算公式
不饱和度=N(C) + 1- 。
说明：N(C)表示碳原子数，N(H)表示氢原子数。
若有机化合物分子中含有卤素原子，则将其视为氢原子。
若含有氧原子，则不予考虑。
若含有氮原子，则用氢原子总数减去氮原子数。
2．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　　　 一个碳碳三键 ②　　　
一个羰基 ③　　　 一个苯环 ④　　　
一个脂环 ⑤　　　 一个氰基(—CN) ⑥　　　
3．根据分子结构计算
① Ω = 双键数 + 三键数×2 + 苯环数×4 + 脂环数
如：Ω = 1+1×2+1= 4。 ：Ω = 4 + 3 = 7。
② 立体封闭有机物(多面体等): Ω = 立体面数-1。
如立方烷()的面数为6，其不饱和度Ω=6-1=5;棱晶烷()的面数为5，其不饱和度Ω=5-1=4。
【例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
【解析】分子的不饱和度为N(C)+1-，可知去掉H原子不饱和度增大，B项不正确;分子中含有氮原子时，在氢原子总数中减去氮原子数：不饱和度=N(C)+1-，若用CH代替N原子，则多1个C和1个H，少一个N，不饱和度不变，C项正确。
【拓展训练】1． 某链烃的化学式为C200H202，已知该分子中三键数与双键数之比为2∶1，则其双键数目为(　　)。
A．50 B．40 C．30 D．20
【拓展训练】2． 某烃的结构如图所示： 则其不饱和度为 （ ）。
A．12 B．13 C．14 D．15
任务2　确定有机化合物的官能团
【必备知识】
一、化学实验方法
官能团种类 检测试剂 判断依据
碳碳双 键或碳 碳三键 溴的四氯化碳溶液或溴水
酸性KMnO4溶液
卤素原子 NaOH溶液(加热)，稀硝酸、AgNO3溶液 有沉淀生成，根据沉淀的颜色判断卤素的种类
醇羟基 钠 有氢气放出
酚羟基 　　　　　　溶液 显紫色
　　　　　　　　 有白色沉淀生成
醛基 银氨溶液(水浴加热) 有银镜生成
新制氢氧化铜悬浊液(加热) 有　　　　沉淀生成
羧基 NaHCO3溶液或Na2CO3溶液 有　　　　放出
二、物理测试方法
1．红外光谱
（1）原理：用红外光照射有机物分子时，分子中化学键或官能团可发生振动吸收，不同官能团或化学键吸收频率不同，在红外光谱图上将处于不同的位置。
（2）作用：初步判断有机物中含有的　　　　或　　　　。
如分子式为C2H6O的有机物A有如下两种可能的结构：CH3CH2OH和CH3OCH3，利用红外光谱测定分子中有　　　　，可确定A的结构简式为CH3CH2OH。
2．核磁共振氢谱
（1）原理：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不同，而且吸收峰的面积与　　　　　　成正比。
（2）作用：测定有机物分子中氢原子的　　　　　　。
（3）分析：吸收峰数目=　　　　　　　　，吸收峰面积比=　　　　　　　　。
例如：分子式为C2H6O的有机物的核磁共振氢谱如下
乙醇 甲醚
核磁共振氢谱
吸收峰数目 3 1
不同吸收峰面积之比
结构简式 CH3CH2OH CH3—O—CH3
【例2】下列化合物中在核磁共振氢谱中出现两组峰，其氢原子数之比为3∶2的是(　　)。
A．　　　 B．
C． D．
【答案】D
【解析】根据有机物结构简式可判断A中有2组峰，其氢原子数之比为3∶1；B中有3组峰，其氢原子数之比为3∶1∶1；C中有3组峰，其氢原子数之比为3∶1∶4；D中有2组峰，其氢原子数之比为3∶2，
D项正确。
【思维建模】 确定有机化合物结构式的常用方法
根据价键规律确定：某些有机物根据价键规律只存在一种结构，则可直接根据分子式确定其结构式。例如：C2H6，只能是CH3CH3。
通过定性实验确定官能团的种类：实验→有机物表现的性质及相关结论→官能团→确定结构式。
例如：能使溴的四氯化碳溶液褪色的有机物分子中可能含有，不能使溴的四氯化碳溶液褪色却能使酸性高锰酸钾溶液褪色的可能是苯的同系物等。
通过定性实验确定官能团的位置。
①若由醇氧化得到醛或羧酸，可推知—OH一定连接在有2个氢原子的碳原子上，即存在—CH2OH；由醇氧化为酮，推知—OH一定连在有1个氢原子的碳原子上，即存在；若醇不能在催化剂作用下被氧化，则—OH所连的碳原子上无氢原子。
②由消去反应的产物，可确定—OH或—X的位置。
③由取代反应产物的种数，可确定碳链结构。如烷烃，已知其分子式和一氯代物的种数时，可推断其可能的结构。有时甚至可以在不知其分子式的情况下，判断其可能的结构简式。
④由加氢后碳链的结构，可确定原物质分子的位置。
(4)常用图谱方法
质谱：相对分子质量＝最大质荷比。
红外光谱：化学键和官能团信息。
核磁共振氢谱：吸收峰数目＝氢原子种类数，不同吸收峰的面积之比(强度之比)＝不同氢原子的个数之比。
【拓展训练】
3． 某研究性学习小组为确定某蜡状有机物A的结构和性质，他们拟用传统实验的手段与现代技术相结合的方法进行探究。请你参与过程探究。
Ⅰ．实验式的确定
(1)取样品A进行燃烧法测定。发现燃烧后只生成CO2和H2O，某次燃烧后，经换算得到了0．125 mol CO2和0．15 mol H2O。据此得出的结论是______________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(2)另一实验中，取3．4 g蜡状A在3．36 L(标准状况下，下同)氧气中完全燃烧，两者均恰好完全反应，生成2．8 L CO2和液态水。由此得出A的实验式是____________。
Ⅱ．结构式的确定(经质谱测定A的相对分子质量为136)
(3)取少量样品熔化，加入钠有氢气放出，说明A分子中含有________。
(4)进行核磁共振，发现只有两组特征峰，且峰面积比为2∶1，再做红外光谱，发现与乙醇一样透过率在同一处波数被吸收。图谱如下：
则A的结构简式为____________。
【随堂检测】
1．能够快速、微量、精确地测定出有机物的相对分子质量的物理方法是(　　)。
A．质谱法　　　B．红外光谱法 C．紫外光谱法 D．核磁共振氢谱法
2．下列分子中，其核磁共振氢谱中只有一组峰的物质是(　　)。
A．CH2ClCH2Br B．CH3COOH C．CH3COOCH3 D．CH3COCH3
3．下列能够获得有机物所含官能团信息的方法是(　　)。
A．红外光谱 B．质谱法 C．色谱法 D．核磁共振氢谱
4．下列化合物中，核磁共振氢谱只出现两组峰且峰面积之比为3∶1的是(　　)。
A． B．
C．CH3—CH2—CH3 D．
　　
5．某芳香族有机化合物的分子式为C8H6O2，它的分子(除苯环外不含其他环)中不可能有(　　)。
A．两个羟基 B．一个醛基 C．两个醛基 D．一个羧基
6．有机物X是一种重要的有机合成中间体，用于制造塑料、涂料和黏合剂等高聚物。为研究X的组成与结构，进行了如下实验：
（1）X的质谱图如图所示，则其相对分子质量为　　　　。
（2）将10．0 g X在足量O2中充分燃烧，并将其产物依次通过足量的无水CaCl2和KOH浓溶液，发现无水CaCl2增重7．2 g，KOH浓溶液增重22．0 g。X的分子式为　　　　。
（3）经红外光谱测定，X中含有醛基；其核磁共振氢谱图上有2组峰，峰面积之比为3∶1。则X的结构简式为　　　　　　　。
　　
7．（1）有机物A( )与FeCl3溶液反应显紫色，且苯环上有两个取代基的同分异构体有____种，试分别写出其结构简式：_____________________。
（2）M的化学式为C4H9Cl，已知M的核磁共振氢谱表明其只有一种氢原子，则M的化学名称为________________。
（3）写出同时满足下列条件的分子式为C6H10O4的所有结构简式：
____________________________________________________________________。
①只含一种官能团　②链状结构且无—O—O—　③核磁共振氢谱只有2组峰
（4）某化合物B是 的同分异构体，且分子中只有两种不同化学环境的氢原子，写出该化合物的结构简式：_________________________________________(任写一种)。
选修3第3章第2节有机化合物结构的测定——有机化合物结构式的确定
第2课时 导学案 参考答案
【复习引入】
1．CO2　H2O　N2　卤化银　100%
2．（2）质谱仪
【判断正误】
答案：（1）√　（2）×　（3）×　（4）×　（5）√
【自主检测】
【答案】 (1) √　(2) √　(3) ×　(4) ×　(5) ×
任务1　有机物不饱和度的计算
【必备知识】
二、1．化学键类型　官能团
2．N(C)＋1－　（1）氢　（2）不予考虑　（3）减去
3．1　2　1　4　1　2
【拓展训练】
【答案】1． D 2． C
任务2　确定有机化合物的官能团
【必备知识】
橙红色溶液褪色　紫色溶液褪色　FeCl3 溴水(足量)　砖红色　CO2气体　
2． 官能团 化学键　O—H键　
（1）氢原子数目 （2）类型和个数比　（3）氢原子的类型　氢原子个数比　3∶2∶1
【拓展训练】
3．【答案】(1)分子中n(C)∶n(H)＝5∶12，分子式为C5H12Ox(x＝0，1，2……)
(2)C5H12O4　(3)羟基　(4)C(CH2OH)4
解析：(1)取样品A进行燃烧法测定，发现燃烧后只生成CO2和H2O，某次燃烧后，经换算得到了0．125 mol CO2和0．15 mol H2O，说明该有机物中含有C、H元素，可能含有O元素，分子中C、H元素的物质的量之比为n(C)∶n(H)＝0．125 mol∶(2×0．15)mol＝5∶12，分子式为C5H12Ox(x＝0，1，2……)。(2)生成CO2的物质的量为＝0．125 mol，则生成水的物质的量为0．15 mol，3．4 g有机物中氧元素的质量为3．4 g－0．125 mol×12 g·mol－1－0．15 mol×2×1 g·mol－1＝1．6 g，则氧元素的物质的量为0．1 mol，分子中n(C)∶n(H)∶n(O)＝5∶12∶4，故最简式为C5H12O4。(3)取少量样品熔化，加入钠有氢气放出，A分子中不含有不饱和键，说明A分子中含有羟基。(4)进行核磁共振，发现只有两组特征峰，且面积比为2∶1，说明结构中含有两种氢原子，数目分别为4和8，再做红外光谱，发现与乙醇一样透过率在同一处波数被吸收，说明结构中含有醇羟基，从红外光谱图可以看出分子中含有O—H、C—O、C—H键，该有机物的结构简式为C(CH2OH)4。
【随堂检测】
1．A 2 ．D 3．A 4．C
5．【答案】D
【解析】由该有机化合物的分子式可求出其不饱和度Ω=6，分子中有一个苯环，苯环的不饱和度Ω=4，余下2个不饱和度、2个碳原子和2个氧原子。具有2个不饱和度的基团组合可能有三种情况：①两个碳原子形成1个—C≡C—、两个氧原子形成2个羟基，均分别连在苯环上；②两个碳原子形成1个羰基、1个醛基，相互连接；③两个碳原子形成2个醛基，分别连在苯环上。C8H6O2分子拆除一个苯环和一个羧基后，还余一个C，它不可能再形成1个不饱和度，故D项不可能。
6． 【答案】（1）100 （2） C5H8O2 （3）(CH3)2C(CHO)2
【解析】（2）无水CaCl2增重的7．2 g是水的质量，10．0 g X中氢原子的物质的量为×2=0．8 mol，KOH浓溶液增重的22．0 g是二氧化碳的质量，10．0 g X中碳原子的物质的量为=0．5 mo，根据质量守恒，氧原子的质量为10．0 g-0．8 mol×1 g·mol-1 - 0．5 mol×12 g·mol-1 = 3．2 g，则氧原子的物质的量为 = 0．2 mo，则该分子中碳、氢、氧元素原子个数之比为0．5 mol∶0．8 mol∶0．2 mol=5∶8∶2，结合X的相对分子质量可知X的分子式为C5H8O2。
（3）X中含有醛基，核磁共振氢谱图上有2组峰，则X分子中含有2种不同化学环境的氢原子，其中一种是醛基中的氢原子，又因为峰面积之比为3∶1，则含两个醛基，故其结构简式为(CH3)2C(CHO)2。
7． 【答案】（1）
、 、
（2） 2-甲基-2-氯丙烷。
（3）CH3OOCCH2—CH2COOCH3、CH3COOCH2—CH2OOCCH3、CH3CH2OOC—COOCH2CH3。
（4）
、或 。
解析：（1） 与FeCl3溶液反应显紫色，说明A分子结构中含有酚羟基，A中醛基是不饱和的，故结构中应含有—CH==CH2，取代基在苯环上有邻、间、对3种位置关系。
（2）M的分子式为C4H9Cl，核磁共振氢谱表明只有一种氢原子，则M的结构简式为(CH3)3CCl，名称为2-甲基-2-氯丙烷。
（3）分子式为C6H10O4，其中10个氢原子只有2组吸收峰，那么必含有—CH2—、—CH3，且要连接在对称位置上，只含有一种官能团且有4个氧原子，因为不含—O—O—键，所以有2个酯基，故满足条件的结构简式有CH3OOCCH2—CH2COOCH3、CH3COOCH2—CH2OOCCH3、CH3CH2OOC—COOCH2CH3。
（4） 化合物B的分子式为C7H14O，它的同分异构体中要求有两种不同化学环境的氢原子，则该物质具有对称结构，结构简式为
或 。

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