高中化学鲁科版 (2019)选择性必修3第2节 有机化合物结构的测定学案

这是一份高中化学鲁科版 (2019)选择性必修3第2节 有机化合物结构的测定学案，共17页。学案主要包含了有机化合物分子式的确定，有机化合物结构式的确定等内容，欢迎下载使用。
第2节　有机化合物结构的测定
基础课时19　有机化合物结构的测定
学 习 任 务
1.了解有机化合物结构的测定的一般步骤和程序，能进行有机化合物分子式的简单计算，培养宏观辨识与微观探析、科学探究与创新意识的化学核心素养。
2．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常见官能团，培养科学探究与创新意识的化学核心素养。
3．通过初步了解一些测定有机化合物结构的现代手段，增强社会责任感。

一、测定有机化合物结构的流程及核心步骤
1．流程

2．核心步骤：测定有机化合物结构的核心步骤是确定其分子式以及检测分子所含的官能团及其在碳骨架上的位置。
二、有机化合物分子式的确定
1．鉴定有机物中含有哪些元素(定性分析)
(1)将某有机物在O2中充分燃烧后，各元素对应的燃烧产物：C→CO2；H→H2O；S→SO2等。
(2)若将有机物完全燃烧，生成物只有H2O(使无水CuSO4变蓝)和CO2(使澄清石灰水变浑浊)，则该有机物中一定含有的元素是C、H，可能含有的元素是O。
(3)判断是否含氧元素，可先求出产物CO2和H2O中C、H两种元素的质量和，再与有机物的质量比较，若两者相等，则说明原有机物中不含氧元素，否则有机物中含氧元素。
2．确定有机物中各元素的质量分数(定量分析)
(1)碳、氢元素质量分数的测定——燃烧分析法

(2)氮元素质量分数的测定

(3)卤素质量分数的测定

(4)氧元素质量分数的计算
氧元素的质量分数＝100%－其他元素质量分数之和。
　判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)只根据有机化合物完全燃烧生成CO2和H2O，不能确定该有机物一定为烃。 (√)
(2)有机化合物分子式一定不与其最简式相同。 (×)
(3)燃烧0.1 mol某有机化合物得到0.2 molCO2和0.3 mol H2O，不能由此确定有机化合物的分子式。 (√)
三、有机化合物结构式的确定
1．确定有机化合物结构式的流程

2．有机化合物分子不饱和度的计算
(1)公式：分子的不饱和度＝x＋1－。
(2)说明：x表示碳原子数，y表示氢原子数。
①若有机化合物分子含有卤素原子，可将其视为氢原子；
②若含有氧原子，则不予考虑；
③若含有氮原子，就在氢原子总数中减去氮原子数。
(3)几种基团的不饱和度
基团
不饱和度

基团
不饱和度
一个碳碳双键
1
一个碳碳三键
2
一个羰基
1
一个苯环
4
一个脂环
1
一个氰基(—CN)
2
3.确定有机化合物的官能团
(1)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
橙红色溶液褪色
酸性KMnO4溶液
紫色溶液褪色
卤素原子
NaOH溶液(加热)，稀硝酸、AgNO3溶液
有沉淀产生，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
FeCl3溶液
显色
溴水
有白色沉淀产生
醛基
银氨溶液(水浴)
有银镜生成
新制氢氧化铜悬浊液(加热)
有砖红色沉淀产生
羧基
NaHCO3溶液
有二氧化碳气体放出
(2)物理方法
①红外光谱
红外光谱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。
②核磁共振氢谱
核磁共振氢谱中有多少个峰，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。
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
不同吸收峰面积比
2∶1∶3
－
结构简式
CH3CH2OH
CH3—O—CH3
4.案例——某种医用胶的结构测定
(1)测定实验式
燃烧30.6 g某种医用胶样品，实验测得生成70.4 gCO2、19.8 g H2O、2.24 L N2(已换算成标准状况)，确定其实验式的计算步骤如下：
①计算各元素的物质的量
n(CO2)＝＝1.6 mol，n(C)＝1.6 mol；
n(H2O)＝＝1.1 mol，n(H)＝2.2 mol；
n(N2)＝＝0.1 mol，n(N)＝0.2 mol；
n(O)＝＝0.4 mol。
②确定实验式：C8H11NO2。
(2)确定分子式
已知：由质谱分析法测定出该样品的相对分子质量为153.0。
设该化合物的分子式为(C8H11NO2)n，则n＝＝1，则该化合物的分子式为C8H11NO2。
(3)推导结构式
①计算不饱和度
不饱和度＝8＋1－＝4。
②用化学方法推测分子中的官能团
a．加入溴的四氯化碳溶液，橙红色溶液褪色，说明可能含有或—C≡C—。
b．加入(NH4)2Fe(SO4)2溶液、硫酸及KOH的甲醇溶液，无明显变化，说明不含有—NO2。
c．加入强碱水溶液并加热，有氨气放出，说明含有—CN。
③推测样品分子的碳骨架结构和官能团在碳链上的位置。

④确定结构简式
综上所述，该样品分子的结构简式为
　目前，农药的使用造成的问题不断暴露，首先是消费者对农药毒性、农药残留的关注度越来越高，即对食品安全的担忧；其次是对农药造成环境污染的关注度越来越高，即对环境安全的担忧。绿色农药——信息素的推广使用，对环保有重要意义。有一种信息素的结构简式为CH3(CH2)5CH===CH(CH2)9CHO。

(1)信息素中有哪些官能团？
提示：根据其结构简式可知，信息素中含有两种官能团，分别是碳碳双键和醛基。
(2)如何用实验方法检验上述两种官能团？
提示：先利用新制氢氧化铜或者银氨溶液检验醛基，然后酸化后再加入溴水或高锰酸钾来检验碳碳双键。


探究确定有机物分子式的方法

为了测定一种气态烃A的分子式，取标准状况下A气体置于密闭容器内燃烧，实验表明产物是CO2、CO和H2O，学生甲、乙设计如下两个方案，均认为根据自己的方案能求出A的最简式，他们测定的数据如图所示(假设每次处理均反应完全)：


[问题1]　根据两方案，你认为能否测得A的最简式？请分别评价两个方案。
提示：甲方案碱石灰增加的质量为CO2和H2O的质量之和，再通过灼热的CuO减少的质量或石灰水增加的质量，可求出烃不完全燃烧生成CO的质量，但它不能求出CO2及水各自的质量，故无法确定有机物的最简式；而乙方案浓硫酸增加的质量为水的质量，再通过灼热的CuO减少的质量可求出CO的质量，最后通过碱石灰可求出CO2的总质量，结合上述三个数据可求出烃中C、H的质量比，即得最简式。
[问题2]　利用合理方案的实验数据求出A的最简式。
提示：根据乙方案可知，n(H2O)＝＝0.3 mol，则n(H)＝0.6 mol；再由最后碱石灰增加的质量，可求出CO2的总物质的量为n(CO2)＝＝0.3 mol，据此可求出该烃的最简式为CH2。
[问题3]　若要确定A的分子式是否需要测定其他数据？
提示：因为题目已知烃在标准状况下为气体，故只要知道了气体的体积，即可求出烃的物质的量，进而可求出1 mol烃中所含C、H原子的物质的量，即可求出烃A的分子式。

1．确定有机化合物分子式的一般途径

2．确定有机化合物分子式的方法
(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。
(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。
CxHy＋(x＋)O2xCO2＋H2O(x、y为正整数)
CxHyOz＋(x＋－)O2xCO2＋H2O(x、y、z为正整数)
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。
(5)利用各类有机物的分子式通式和相对分子质量确定：
类别
通式
相对分子质量
烷烃
CnH2n＋2
Mr＝14n＋2(n≥1)
环烷烃，烯烃
CnH2n
Mr＝14n(烯烃n≥2，
环烷烃n≥3)
二烯烃，炔烃
CnH2n－2
Mr＝14n－2(炔烃n≥2)
苯及苯的同系物
CnH2n－6
Mr＝14n－6(n≥6)
饱和醇
CnH2n＋2Ox
Mr＝14n＋2＋16x
饱和一元醛
CnH2nO
Mr＝14n＋16
饱和一元羧酸及酯
CnH2nO2
Mr＝14n＋32
(6)商余法(只适用于烃)：
＝n…＋2(烷烃)，＝n(烯烃、环烷烃)，
＝n…－2(炔烃、二烯烃)，＝n…－6(苯或苯的同系物)。

1．3.1 g某有机样品完全燃烧，燃烧后的气体混合物通入过量的澄清石灰水中，石灰水共增重7.1 g，然后过滤得到10 g沉淀。该有机样品可能是(　　)
A．乙二酸　　　　　　　 B．乙醇
C．乙醛 D．甲醇和丙三醇的混合物
D　[3.1 g该有机样品燃烧生成CO2、H2O的总质量为7.1 g，CO2与过量Ca(OH)2反应生成10 gCaCO3，则CO2物质的量为0.1 mol，即n(C)＝0.1 mol，m(C)＝0.1 mol×12 g·mol－1＝1.2 g，故m(H2O)＝7.1 g－0.1 mol×44 g·mol－1＝2.7 g，即n(H2O)＝0.15 mol，n(H)＝0.3 mol，m(H)＝0.3 mol×1 g·mol－1＝0.3 g，故该有机样品中氧元素的质量：m(O)＝3.1 g－1.2 g－0.3 g＝1.6 g，即n(O)＝＝0.1 mol，则该有机样品中n(C)∶n(H)∶n(O)＝0.1 mol∶0.3 mol∶0.1 mol＝1∶3∶1，即最简式为CH3O，设其分子式为(CH3O)n，只有当甲醇和丙三醇按物质的量之比为1∶1混合时符合，D正确。]
2．实验室用燃烧法测定某种氨基酸(CxHyOzNm)的分子组成，取W g该种氨基酸放在纯氧中充分燃烧，生成二氧化碳、水和氮气，按如图所示装置进行实验。

下列说法错误的是(　　)
A．实验开始时，首先通入一段时间的氧气，其目的是将装置中的N2排净
B．操作时应先点燃D处的酒精灯
C．D装置的作用是吸收未反应的氧气，保证最终收集的气体为N2
D．实验测得N2的体积(标准状况下)、二氧化碳和水的质量，便可确定此氨基酸的分子式
D　[W g该氨基酸放在纯氧中充分燃烧，生成CO2、H2O和N2。装置B内盛放浓硫酸，吸收生成的水，根据装置B增重，确定W g该种氨基酸中含氢元素质量，根据C中碱石灰增加的质量，可确定该氨基酸中含碳元素质量，根据F中水的体积确定氮气的体积，并由此确定待测氨基酸中含有的氮元素的质量，再计算氧元素的质量，确定分子中元素原子个数比，由此确定最简式。空气中含有N2，影响生成氮气的体积测定，需将装置中的N2排净，A正确；氨基酸和氧气的反应，以及铜网和氧气的反应都需要加热，应先点燃D处的酒精灯，吸收未反应的氧气，保证最终收集的气体为N2，B正确，C正确；测出该种氨基酸分子式需要二氧化碳、水的质量以及氮气的体积，并计算氧元素的质量，确定分子中元素原子个数比，再结合氨基酸的相对分子质量确定分子式，D错误。]

探究确定有机物结构的方法

　　　东莨菪碱(结构如图)为颠茄中药理作用最强的一种生物碱，可用于阻断副交感神经，也可用作中枢神经系统抑制剂。早在1892年就分离得到东莨菪碱，并且确定其分子式为C17H21NO4。但它的结构式直到1951年才确定下来。按照现在水平来看，这个结构并不太复杂，但20世纪50年代前只用化学方法确定结构确实是较困难的。


[问题1]　东莨菪碱中含有的含氧官能团的名称是什么？
提示：羟基、醚键、酯基。
[问题2]　确定一个化合物的结构是一件相当艰巨而有意义的工作。复杂的结构很难直接检测，想一想，应该用什么化学方法？
提示：化学方法是把分子打成“碎片”，然后再从它们的结构去推测原来分子是如何由“碎片”拼凑起来的。
[问题3]　你能列举出现代物理学测定有机化合物结构的方法吗？
提示：X射线衍射法、各种光谱法、核磁共振谱法和质谱法等。

1．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，则直接根据分子式确定其结构。如C2H6只能是CH3CH3；CH4O只能是CH3OH。
2．化学法确定有机物的官能团
官能团决定有机物的特殊化学性质，通过一些特殊的化学反应和反应的实验现象，可以确定有机物含有何种官能团。
3．根据反应产物推断
(1)与银氨溶液反应，若1 mol有机物生成2 mol银(或1 molCu2O)，则该有机物分子中含有一个醛基；若生成4 mol银(或2 molCu2O)，则含有二个醛基或该物质为甲醛。
(2)与金属钠反应，若1 mol有机物生成0.5 mol H2，则其分子中含有一个活泼氢原子，或为一个醇羟基，或为一个酚羟基，也可能为一个羧基。
(3)与碳酸钠反应，若1 mol有机物生成0.5 molCO2，则说明其分子中含有一个羧基。
(4)与碳酸氢钠反应，若1 mol有机物生成1 molCO2，则说明其分子中含有一个羧基。
4．根据特征数据判断
(1)某有机物与醋酸反应，相对分子质量增加42，则分子中含有一个—OH；增加84，则分子中含有两个—OH(原因—OH转变为—OOCCH3)。
(2)某有机物在催化剂作用下被氧气氧化，若相对分子质量增加16，则表明有机物分子内有一个—CHO(变为—COOH)；若增加32，则表明有机物分子内有两个—CHO(变为—COOH)。
(3)有机物与Cl2反应，若有机物的相对分子质量增加71，则说明有机物分子内含有一个碳碳双键；若增加142，则说明有机物分子内含有两个碳碳双键或一个碳碳三键。
(4)当醇被氧化成醛或酮后，其相对分子质量减小2，则含有一个—OH；若相对分子质量减小4，则含有2个—OH。
5．根据反应产物推知官能团位置
(1)若由醇氧化得醛或羧酸，可推知—OH一定连接在至少有2个氢原子的碳原子上，即存在—CH2OH或CH3OH；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CHOH；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，可确定原物质分子中—C===C—或—C≡C—的位置。
(5)由有机物发生酯化反应能生成环酯或聚酯，可确定有机物是羟基酸，并根据环的大小，可确定“—OH”与“—COOH”的相对位置。

有机物的不饱和度与分子结构的关系
(1)Ω＝0，说明分子是饱和链状结构；
(2)Ω＝1，说明分子中有一个双键或一个环；
(3)Ω＝2，说明分子中有两个双键或一个三键，或一个双键和一个环，或两个环；
(4)Ω≥4，说明分子中很有可能有苯环。


1．分子式为C4H8O3的有机物在浓硫酸存在下加热时有如下性质：
①能分别与CH3CH2OH和CH3COOH发生酯化反应；
②能脱水生成一种能使溴水褪色的物质，此物质只存在一种结构简式；
③分子内能脱水生成一种分子式为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
C　[该有机物能够与CH3CH2OH和CH3COOH发生酯化反应，说明其分子内含有—COOH和—OH。能够脱水生成使溴水褪色的物质，再结合C4H8O3的不饱和度，说明此生成物中含有，即和—OH相连的碳原子的邻位碳原子上必定有氢原子。该有机物能够发生分子内脱水反应生成分子式为C4H6O2的五元环状化合物，则生成的五元环的结点为四个碳原子和一个氧原子，所以该有机物应为直链状，即HOCH2CH2CH2COOH。]
2．某有机化合物A经李比希法测得其中含碳元素为72.0%、含氢元素为6.67%，其余为氧元素。现用下列方法测定该有机化合物的相对分子质量和分子结构。
方法一：用质谱法分析得知A的相对分子质量为150。
方法二：核磁共振仪测出A的1H核磁共振谱有5组峰，其面积之比为1∶2∶2∶2∶3，如图A所示。
方法三：利用红外光谱仪测得A分子的红外光谱如图B所示。

图A

图B
请填空：
(1)A的分子式为______________。
(2)一个A分子中含一个甲基的依据是________。
a．A的相对分子质量
b．A的分子式
c．A的1H核磁共振谱图
d．A分子的红外光谱图
(3)A的结构简式可能为_______________________________。
[解析]　(1)由题意知，有机物A中O的质量分数为1－72.0%－6.67%＝21.33%，Mr(A)＝150得N(C)＝＝9，N(H)＝≈10，N(O)＝≈2，则A的分子式为C9H10O2。
(2)由分子式知A中含有10个H,1H核磁共振谱中有5组峰，说明A中有5种不同化学环境的氢原子，峰面积之比为1∶2∶2∶2∶3，则A中5种H的个数比为1∶2∶2∶2∶3，由于3个H相同的只有一种即有一个—CH3。
(3)A中含苯环结构，且苯环与碳原子相连形成的结构，含C===O和C—O，可联想(酯基) ，含C—C和C—H，可知含烷烃基，综合可知A的结构简式可能为或或。



由分子式确定有机物结构式的一般步骤





1．(2021·安徽六安新世纪中学高二月考)一种有机物燃烧后，产生二氧化碳、水和二氧化硫。据此可以推断该化合物中一定含有 (　　)
A．C、S、O　　　 B．C、H、O、S
C．C、H、S D．C、H、O
C　[有机物中一定存在C元素，燃烧产生水和二氧化硫，说明一定有H和S元素，可能含有O元素。]
2．研究有机物的一般步骤：分离提纯→确定最简式→确定分子式→确定结构式。以下研究有机物的方法错误的是(　　)
A．蒸馏——分离提纯液态有机混合物
B．燃烧法——研究确定有机物成分的有效方法
C．核磁共振氢谱图——分析有机物的相对分子质量
D．红外光谱图——确定有机物分子中的官能团
C　[核磁共振氢谱图用于研究有机物分子中有几种化学环境的氢原子，C错误。]
3．有机物的不饱和度为(　　)
A．8　　　　　　　　 B．7
C．6 D．5
C　[该有机化合物的分子式为C14H18，由计算公式：不饱和度＝14＋1－＝6。]
4．三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，红外光谱表明有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________________。
[解析]　碳元素的质量分数为1－4.76%－66.67%＝28.57%
(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原子的化学环境相同；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。
[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
(4)