資源簡介

(共65張PPT)
2002年諾貝爾化學獎物質結構分析美國 芬恩日本 田中耕一瑞士 維特里希引入了核磁共振光譜學觀察到了DNA、蛋白質等大分子的真面目。孫先輝PPT科學家怎樣研究有機物孫先輝PPT學習目標
研究有機物結構的步驟和方法
有機物實驗式、分子式確定
有機物分子結構的確定
分離與提純、確定分子式、確定分子結構
紅外光譜、核磁共振氫諳、X射線衍射
李比希法
相對分子質量測定——質譜法
1805年從鴉片中提出純凈的嗎啡，其結構直到1952年才確定！前后大約用了150年！嗎啡結構發現史
制得純品
確定結構式
1805年
1923年
1952年
1847年
賽爾杜納
測定分子式
李比希
Robinson
全流程合成
Gates
化學趣史
思考﹒ 討論
天然物中提取
人工合成
有機物
測定有機物分子結構有哪些步驟？
(有雜質)
研究步驟和方法
1
孫先輝
蒸餾
萃取
重結晶等
李比希——
元素定性、定量分析
質譜法
波譜分析
IR、NMR、XRD
分離、提純
確定分子式
確定分子結構
有機物
分子結構
在日常生活中，我們經常見
到有機物燃燒。有機物燃燒的
產物能給我們提供哪些有機物
組成方面的信息？
有機化學之父
最重要的貢獻在于農業和生物化學，他創立了有機化學
肥料工業之父
發現了氮對于植物營養的重要性
歷史上最偉大的化學教育家之一
發明了現代面向實驗室的教學方法，這是一創新
科學家簡介
最早獲得諾貝爾化學獎的60人里，有42位是他的學生或他的學生的學生
諾貝爾化學獎的祖師爺
孫先輝PPT李比希法設備圖1830年，李比希在前人工作的基礎上，把碳氫分析發展成為精確的定量分析技術吉森大學李比希的實驗室
吉森李比希博物館中的老實驗室一角
有機物
燃燒
CO2
H2O
檢驗
有機物
元素種類
產物
資料在線
2.1 定性分析
確定實驗式
2
1
2
3
三法
分析
燃燒法
確定 C、H、O
鈉熔法
確定 N、Cl、Br、S
銅絲燃燒法
確定 Cl、Br、I
一定量有機物
[含C、H(O)]
氧化
CO2
H2O
反應
前后
裝置
質量差
吸收
資料在線
CuO
高氯酸鎂
吸收
堿石灰
計算
C、H
元素
質量
依據總質量減去C、H元素質量，確定是否含有O元素
計算
C、H、O
原子個數比，確定
實驗式
2.2 定量分析
確定實驗式
2
1
李比希法
據燃燒產物質量→元素質量分數
2
現代元素分析法
元素分析儀
——可以直接測出有機化合物中各元素的質量分數
經測定，嗎啡分子中各元素的質量分數是：碳71.58%，氫6.67%，氮4.91%，其余為氧，則嗎啡的實驗式為____________。
依據：原子的物質的量比等于個數比。
n(C)∶ n(H)∶n(N)∶ n(O)
17∶19∶1 ∶3
w(O)＝100%-71.58%-6.67%-4.91%＝16.84%
＝
71.58%
6.67%
4.91%
16.84%
12
1
14
16
0.0597
＝
∶
0.0667
0.00351
0.0105
∶
∶
∶
∶
∶
＝
嗎啡的實驗式為C17H19NO3
答
解
2.3 確定實驗式
確定實驗式
2
據元素質量分數→定個數比→定實驗式
嗎啡的實驗式為C17H19NO3
交流討論
要確定嗎啡的分子式，還需要什么數據？
有機化合物分子式的確定
分子式：
用元素符號表示物質分子組成的式子，可反映出一個分子中原子的種類和數目。
【思考】請觀察乙烯的分子式與實驗式，歸納總結分子式與實驗式的關系。
1．有機化合物分子式與實驗式的關系：
2．有機化合物分子式相對分子質量與實驗式式量的關系：
分子式＝(實驗式)n（n為倍數）
分子式相對分子質量＝n×實驗式相對分子質量
有機物 分子式 實驗式 乙烯 組成 相對分子質量 組成 相對分子質量
C2H4 28 CH2 14
嗎啡的實驗式為C17H19NO3
交流討論
要確定嗎啡的分子式，還需要什么數據？
元素定量分析
各組成原子的
最簡單整數比
實驗式
分子式
相對分子質量
1．端基分析法。通過化學分析的方法測特定的端基含量從而推導出分子量，前提是必須對高分子結構有充分的了解，它還可以用于支鏈數目的測定。使用這種方法分子量不一般不能太大。
　　2．沸點升高和冰點降低。這是利用稀溶液的依數性測定溶質分子量的方法，是經典的物理化學方法。溶劑中加入不揮發性的溶質后，溶液的蒸氣壓下降，導致溶液的沸點比純溶劑的高，溶液的冰點比溶劑的低。這種方法沒用過，對溫差的測量精度要求很高。
　　3．膜滲透壓。用半透膜通過滲透壓測定的方法，也應該是一種物理化學方法。
　　4．氣相滲透法(VPO)。利用純溶劑與加入溶質的溶液飽和蒸氣壓不同來測定分子量。測出的是數均分子量。
　　5．光散射/小角激光光散射(LALLS)。這兩個方法只是儀器，數據處理和所用光源等方面有差異，原理差不多的的。這種方法比較常用，而且儀器現在也發展到了一定水平，是測試高分子絕對分子量最有效的方法。
　　6．超速離心沉降。很復雜，最先用于蛋白質分子的測量。是一種相對方法。
　　7．凝膠色譜法(GPC)。很常用，根據不同大小的分子在介質中的停留時間不同來測量分子量。是一種相對方法，須結合其它方法的配合。
　　8．粘度法。利用玻璃粘度計(烏式粘度計，奧式粘度計)增比粘度，然后外推特性粘數，根據Mark-Houwink方程算出分子量，是最經濟的方法吧，而且重新度很好。水溶性高分子一般都用這種方法測量分子量，也是一種相對方法。
相對分子質量測定方法
測定相對分子質量的方法很多，
質譜法是最精確、最快捷的方法。
質譜儀
質譜儀工作原理示意圖
相對分子質量的測定—— 質譜法
有機物分子
確定相對分子質量
離子的
高能電子束
帶正電荷的離子
磁場作用下先后
質譜圖
（快速、精確）
質譜圖
質譜儀
轟擊
到達檢測儀
質荷比
確定分子式
3
1
相對分子質量
質譜法
原理
高能電子束
碎片的
轟擊
質荷比
有機
分子
帶電的“碎片”
確定
相對分子質量
質譜圖中質荷比最大值為該有機物的相對分子質量
質荷比：分子離子、碎片離子的相對質量與其電荷的比值
31
100
80
60
40
20
0
20
30
40
50
27
29
45
46
CH3CH2
+
CH2=OH
+
CH3CH=OH
+
CH3CH2OH
+
質荷比
相對豐度/%
某有機物的質譜圖
最大離子的質荷比越大，達到檢測器需要的時間越長，因此譜圖中的質荷比最大的就是未知物的相對分子質量。
讀圖技巧：
看最大的質荷比
B的相對分子質量
下圖是某有機化合物B的質譜圖，請問其相對分子質量為多少？
你學會了嗎？
請你試一試
設嗎啡分子中只有一個N原子，則相對分子質量為
4.91%
14
285
＝
經測定，嗎啡分子中各元素的質量分數是：碳71.58%，氫6.67%，氮4.91%，其余為氧，已知其分子量不超過300。則嗎啡的相對分子質量為________。
嗎啡的實驗式為C17H19NO3
請你試一試
經測定，嗎啡分子中各元素的質量分數是：碳71.58%，氫6.67%，氮4.91%，其余為氧，相對分子質量為285，求嗎啡的分子式。
嗎啡的式量為285
設嗎啡的分子式為(C17H19NO3)n
285×n＝285
n＝1
嗎啡的分子式為C17H19NO3
確定分子式
3
1
相對分子質量
質譜法
原理
有機
分子
高能電子束
帶電的“碎片”
碎片的
確定
相對分子質量
轟擊
質荷比
質譜圖中質荷比最大值為該有機物的相對分子質量
質荷比：分子離子、碎片離子的相對質量與其電荷的比值
2
分子式
設分子式為(實驗式)n
分子式相對分子質量＝n×實驗式相對分子質量
1847年德國化學家李比希（Liebig）推導出其分子式為C17H19NO3。
Wright通過雙乙酰化實驗確證了嗎啡的兩個自由羥基的存在，Grimaux發現其中一個羥基非常容易發生甲基化，從而推斷可能是酚羥基。可待因氧化為可待酮的實驗證實了另外一個為醇羥基，剩下的不活潑的氧必定為為醚鍵。氫化實驗證實了雙鍵的存在。Von Braun降解（NMe—NCN）以及Hoffman降解意味著環狀三級胺的存在，連續的霍夫曼降解可以得到三甲基胺、乙烯和芳環骨架，在鋅粉中蒸餾嗎啡可以得到氧化的菲環骨架。
1925年，羅賓遜（RobinSon）首次正式確定其結構式。1952年，蓋茲（Gates）通過首次全合成證實了羅賓遜推導的結構式的正確性。
1955年，Hodgkin發表了嗎啡的氫碘酸鹽二水化合物的單晶結構研究，同年，Kartha通過研究的氫溴酸鹽二水合化合物最終確定了嗎啡的絕對構型。
有機化合物分子結構的確定
實驗→有機物的性質→官能團→確定結構簡式。
實驗測得的往往不是完整的有機物，這就需要我們根據有機物的結構規律如價鍵規律、性質和量的規律等來對其進行“組裝”和“拼湊”。
　　如測得1 mol某醇與足量鈉反應可得到1 mol氣體，則可說明1個該醇分子中含2個—OH。
歸納與整理
1．通過定性實驗確定
2．根據實驗測定的有機物的結構片段“組裝”有機物
3．通過定量實驗確定官能團的數目
如能使溴的四氯化碳溶液褪色的有機物分子中可能含有雙鍵或三鍵。
孫先輝 PPT
現取某有機物9.2 g在足量的氧氣中完全燃燒，將燃燒后的產物依次通入足量的濃硫酸和氫氧化鈉溶液，測得濃硫酸增重10.8 g ，氫氧化鈉溶液增重17.6 g ，求該有機物的最簡式。
有機物 H2O CO2
9.2 g 10.8 g 17.6 g
n(H)＝(10.8 g÷18g/mol)×2＝1.2 mol
n(C)＝(17.6 g÷44g/mol)×1＝0.4 mol
n(C):n(H)＝0.4 mol:1.2 mol＝1 : 3
有機物的最簡式: CH3
看誰做得既準又快
現取某有機物9.2 g在足量的氧氣中完全燃燒，將燃燒后的產物依次通入足量的濃硫酸和氫氧化鈉溶液，測得濃硫酸增重10.8 g ，氫氧化鈉溶液增重17.6 g ，求該有機物的最簡式。
n(H)＝(10.8 g÷18 g/mol)×2＝1.2 mol
n(C)＝(17.6 g÷44 g/mol)×1＝0.4 mol
n(C):n(H):n(O)＝0.4 mol : 1.2 mol : 0.2 mol＝2 : 6 : 1
有機物的最簡式: C2H6O
m(H)＋m(C)＝1.2 g＋0.4 mol×12＝6 g
＜9.2 g
n(O)＝(9.2 g－6 g)÷16 g/mol ＝0.2 mol
看誰做得既準又快
看誰做得既準又快
根據以下質譜圖，確定該有機物的分子式。
有機物的最簡式： C2H6O，其相對分子質量為46；由圖知其相對分子質量為46，故分子式就是最簡式，即分子式為C2H6O。
請寫出分子式為C2H6O有機物的可能結構式。孫先輝PPT問題探究如何確定是哪種有機物？實驗其他方法 兩有機物中H原子的環境是一樣的嗎？
思考﹒ 討論
　　CH3CH2OH、CH3—O—CH3，除了氧原子的位置、連接方式不同外，碳原子、氫原子的連接方式也不同、所處的化學環境不同，即等效碳、等效氫的種數不同。
感受﹒ 理解
兩有機物中不同類型的H原子分別有幾種？
如何測定氫原子的類型？
分子光譜
資料在線
分子從一種能級改變到另一種能級時吸收或發射的光譜稱為分子光譜。分子中的鍵長、鍵角、電荷分布等結構特征都會影響分子光譜。
核磁共振氫譜
紅外光譜
X射線衍射法
簡易核磁共振儀的結構示意圖
核磁共振氫譜
核磁共振儀
核磁共振氫譜
資料在線
氫原子核所處的化學環境
(即其附近的基團)不同
表現出的核磁性不同
具有不同的化學位移(符號δ)
且吸收峰的面積與H原子數成正比
代表核磁性特征的峰在核磁共振譜圖中橫坐標的位置不同
4.1 核磁共掁氫譜
確定分子結構
4
（1H—NMR）
1
原理
處在不同化學環境中的氫原子因產生共振時吸收電磁波的頻率不同，在譜圖上出現的位置也不同，且吸收峰的面積與氫原子數成正比
2
測定有機物中H原子的種類和
相對數目
吸收峰
數目
吸收峰
面積之比
應用
孫先輝PPTCH3OCH3的核共振氫譜下列有機物中有幾種H原子以及個數之比？2種；9∶11種4種；3 ∶2 ∶ 1 ∶64種；3 ∶2 ∶2 ∶1你學會了嗎？ 兩有機物中的化學鍵、官能團能否通過儀器測定？
問題探究
紅外光譜儀
簡易紅外光譜儀的結構示意圖
判斷有機化合物中所含的化學鍵或官能團
紅外光譜圖
紅外光譜
有機物受到紅外線照射時
能吸收它的某些化學鍵或官能團的振動頻率相同的紅外線
通過紅外光譜儀的記錄形成該有機物的紅外光譜圖
譜圖中不同的化學鍵或官能團的吸收頻率不同
可獲得分子中含有的化學鍵或官能團的信息
4.2 紅外光譜
確定分子結構
4
1
原理
不同的化學鍵或官能團吸收頻率不同，在紅外光譜圖上將處于不同的位置
2
應用
獲得分子中含有何種化學鍵或官能團
看吸收峰波谷上標出的化學鍵或官能團
下圖是黃酒中有機化合物A的紅外光譜圖，請推測A的分子結構。
讀圖技巧：
含有：C—H
C—O—C
含有：C—H
C—C
C—O
O—H
有機化合物A為乙醇
考考你的智慧

有機化合物X的分子式為C4H8O2，其紅外光譜如下圖所示，則該有機化合物可能的結構為 (雙選，填字母)。
A．CH3COOCH2CH3
B．CH3CH2COOCH3
C．HCOCH2CH2CH3
D．(CH3)2CHCOOH
圖中信息：
含不對稱—CH3 C＝O C－O－C
含1個—CH3 沒有C－O－C
含對稱—CH3 沒有C－O－C
你學會了嗎？
①不對稱—CH3
②C＝O
③C－O－C
A B
中國科學院上海有機化學研究所和中國中醫研究院中藥研究所等單位的科學家們通過元素分析和質譜法分析，確定青蒿素的相對分子質量為282，分子式為C15H22O5。經紅外光譜和核磁共振譜分析，確定青蒿素分子中含有酯基和甲基等結構片段。通過化學反應證明其分子中含有過氧基(—O—O—)。1975年底，我國科學家通過X射線衍射最終測定了青蒿素的分子結構。
青蒿素的提取及元素和分子結構的確定
X射線衍射
資料在線
4.3 X射線衍射
確定分子結構
4
1
原理
X射線是一種波長很短的電磁波，它和晶體中的原子相互作用可以產生衍射圖。
2
應用
經過計算可以從中獲得分子結構的有關數據
——鍵長、鍵角等分子結構信息。
將X射線衍射技術用于有機化合物(特別是復雜的生物大分子) 晶體結構的測定，可以獲得更為直接而詳盡的結構信息。
有機物分子結構的確定
有機化合物分子式
確定有機物
結構式
判斷官能團種類及官能團所處位置
推測
化學鍵類型
儀器分析譜圖
歸納與整理
化學性質實驗
這節課我學到了什么？（用一句話表示）還有什么疑問？課堂小結研究有機物的一般步驟和方法
步驟
分離、提純
元素定量分析
確定實驗式
測定相對分子質量
確定分子式
波譜分析
確定分子結構
方法
蒸餾、重結晶、萃取
李比希法
現代元素分析法
質譜法
紅外光譜
核磁共振氫譜
X射線衍射
判斷下列說法是否正確：
1．燃燒后只產生CO2和H2O的物質不一定只含有碳、氫兩種元素。
2．根據紅外光譜可以確定有機物中化學鍵種類。
3．核磁共振氫譜中，有幾個吸收峰就說明有幾個氫原子。
4．根據核磁共振氫譜可推知分子中有幾種不同類型的氫原子及它們的相對數目。
看誰做得既準又快
在化合物A、B的分子式都是C2H4Br2。
1．A的1H—NMR譜上只有一個峰，則A的結構簡式為______________。
　　2．B的1H—NMR譜上有兩個峰，其強度比為______。
BrCH2CH2Br
3 : 1
CH3CHBr2
考考你自己
下圖是某有機質的核磁共振氫譜圖，則該有機物可能是
A. CH3CH2OH
B. CH3CH2CH2OH
C. CH3-O-CH3
D. CH3CHO
牛刀小試
下列物質的核磁共振氫譜圖中，有5個吸收峰的是
A.
B.
C.
D.
牛刀小試
在核磁共振氫譜中出現兩組峰，其氫原子數之比為3 ：2的化合物是
A.
B.
C.
D.
考考你自己
δ
分離、提純
確定分子式
確定分子結構
有機物結構測定三步曲

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