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微項(xiàng)目　青蒿素分子的結(jié)構(gòu)測(cè)定
——晶體在分子結(jié)構(gòu)測(cè)定中的應(yīng)用
學(xué)習(xí)目標(biāo)　1.了解測(cè)定分子結(jié)構(gòu)的一般思路與方法,認(rèn)識(shí)晶體對(duì)于分子結(jié)構(gòu)測(cè)定的獨(dú)特意義。2.知道利用晶體X射線(xiàn)衍射能夠測(cè)定原子坐標(biāo)進(jìn)而確定分子的空間結(jié)構(gòu),是測(cè)定分子結(jié)構(gòu)的重要手段。3.體會(huì)分子結(jié)構(gòu)測(cè)定對(duì)于建立與優(yōu)化物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論模型,認(rèn)識(shí)、解釋和預(yù)測(cè)物質(zhì)性質(zhì)具有重要價(jià)值。
一、了解利用晶體測(cè)定分子結(jié)構(gòu)的意義
【情景素材】 青蒿素的組成與結(jié)構(gòu)的測(cè)定
測(cè)定方法 獲得的分子組成與結(jié)構(gòu)信息
高分辨 質(zhì)譜儀 測(cè)定出青蒿素的相對(duì)分子質(zhì)量為282.33,結(jié)合元素分析,確定其分子式為C15H22O5
氧化還原 反應(yīng)實(shí)驗(yàn) 推測(cè)青蒿素具有含過(guò)氧基團(tuán)的倍半萜內(nèi)酯結(jié)構(gòu)
紅外光譜 青蒿素分子中含有酯基和過(guò)氧基團(tuán)
核磁 共振譜 結(jié)合核磁共振譜圖提供的關(guān)于碳、氫原子的種類(lèi)和數(shù)量的信息,推定了青蒿素中甲基、過(guò)氧基團(tuán)、帶有酯基的六元環(huán)等部分結(jié)構(gòu)片段
晶體X 射線(xiàn)衍射 確定了青蒿素的分子結(jié)構(gòu)
【問(wèn)題討論】
1.測(cè)定青蒿素分子結(jié)構(gòu)時(shí),科研人員遇到了什么困難
_________________________________________________________________________________
_________________________________________________________________________________
2.為什么用一般的方法無(wú)法精確地測(cè)定青蒿素的分子結(jié)構(gòu)
_________________________________________________________________________________
_________________________________________________________________________________
【核心歸納】
晶體X射線(xiàn)衍射法測(cè)定分子結(jié)構(gòu)的程序
1.中國(guó)女藥學(xué)家屠呦呦因發(fā)現(xiàn)青蒿素對(duì)瘧疾的治療作用而成為2015年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)獲得者之一。下列說(shuō)法不正確的是 (　　)
A.利用青蒿研究青蒿素結(jié)構(gòu)的基本步驟:元素分析確定實(shí)驗(yàn)式→測(cè)定相對(duì)分子質(zhì)量確定分子式→波譜分析確定結(jié)構(gòu)式
B.青蒿素的分子式為C15H22O5,它屬于有機(jī)物
C.人工合成青蒿素經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)期的實(shí)驗(yàn)研究,實(shí)驗(yàn)是化學(xué)研究的重要手段
D.現(xiàn)代化學(xué)分析測(cè)試中,可用元素分析儀確定青蒿素中的C、H、O元素
2.中國(guó)女藥學(xué)家屠呦呦因創(chuàng)制新型抗瘧藥青蒿素和雙氫青蒿素而獲得2015年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。關(guān)于青蒿素和雙氫青蒿素(結(jié)構(gòu)如下)的下列說(shuō)法,錯(cuò)誤的是 (　　)
A.青蒿素的分子式為C15H22O5
B.由青蒿素制備雙氫青蒿素的反應(yīng)屬于加成反應(yīng)
C.青蒿素分子中含有過(guò)氧鍵和酯基、醚鍵
D.雙氫青蒿素分子中不含有不對(duì)稱(chēng)碳原子
3.我國(guó)科學(xué)家屠呦呦因發(fā)現(xiàn)青蒿素(一種用于治療瘧疾的藥物)而獲得諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。青蒿素(C15H22O5)的結(jié)構(gòu)如圖所示。請(qǐng)回答下列問(wèn)題:
(1)組成青蒿素的三種元素電負(fù)性由大到小的排序是　　　　,基態(tài)O原子核外存在　　　　對(duì)自旋相反的電子。
(2)下列關(guān)于青蒿素的說(shuō)法正確的是　　　　(填序號(hào))。
a.青蒿素中既存在極性鍵又存在非極性鍵
b.在青蒿素分子中,所有碳原子均處于同一平面
c.圖中數(shù)字標(biāo)識(shí)的五個(gè)碳原子均只以σ鍵與其他原子相連
(3)在確定青蒿素結(jié)構(gòu)的過(guò)程中,可采用NaBH4作為還原劑,其制備方法為4NaH+B(OCH3)3→NaBH4+3CH3ONa
①NaH為　　　　晶體,如圖是NaH晶胞結(jié)構(gòu),則NaH晶體中Na+的配位數(shù)是　　　　,若晶胞結(jié)構(gòu)棱長(zhǎng)為a,則Na+間最小核間距為　　　　。
②B(OCH3)3中B采用的雜化類(lèi)型是　　　　。寫(xiě)出兩個(gè)與B(OCH3)3具有相同空間結(jié)構(gòu)的分子或離子　　　　。
③NaBH4結(jié)構(gòu)如圖所示,結(jié)構(gòu)中存在的作用力有
　　　　　　　　　　　　。
二、借助原子位置確定分子空間結(jié)構(gòu)
借助晶體X射線(xiàn)衍射測(cè)定分子結(jié)構(gòu)的基本思路
4.在研究有機(jī)物的組成和結(jié)構(gòu)時(shí),可用于確定化學(xué)鍵和官能團(tuán)信息的方法是 (　　)
A.質(zhì)譜法 B.紅外光譜法
C.核磁共振氫譜法 D.燃燒法
5.(2023·天津紅橋區(qū)期末)下列方法常用于測(cè)定晶體結(jié)構(gòu)的是 (　　)
A.質(zhì)譜法 B.紅外光譜法
C.X射線(xiàn)衍射法 D.核磁共振氫譜法
6.青蒿素的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式如圖所示,下列有關(guān)青蒿素的敘述不正確的是 (　　)
A.組成青蒿素的三種元素C、H、O中,O元素的第一電離能最大
B.青蒿素分子結(jié)構(gòu)中存在極性鍵、非極性鍵、離子鍵
C.青蒿素分子中的共價(jià)鍵包括σ鍵和π鍵
D.紅外光譜顯示青蒿素有三種官能團(tuán)
微項(xiàng)目　青蒿素分子的結(jié)構(gòu)測(cè)定
——晶體在分子結(jié)構(gòu)測(cè)定中的應(yīng)用
一、問(wèn)題討論
1.提示　不能精確判斷青蒿素分子中所有碳原子和氧原子以何種方式連接成碳骨架。
2.提示　一般的測(cè)定方法只能幫助我們認(rèn)識(shí)分子的官能團(tuán)等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)并借此推測(cè)分子的結(jié)構(gòu),但對(duì)于所含原子數(shù)較多的分子來(lái)說(shuō),難以精準(zhǔn)判斷其空間結(jié)構(gòu)。
對(duì)點(diǎn)訓(xùn)練
1.A　[利用青蒿研究青蒿素結(jié)構(gòu)的基本步驟為分離、提純→元素分析確定實(shí)驗(yàn)式→測(cè)定相對(duì)分子質(zhì)量確定分子式→波譜分析確定結(jié)構(gòu)式,A不正確;青蒿素屬于有機(jī)物,B正確;實(shí)驗(yàn)是化學(xué)研究的重要手段之一,C正確;現(xiàn)代化學(xué)分析測(cè)試中,可用元素分析儀確定青蒿素中的C、H、O元素,D正確。]
2.D　[由結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式可知青蒿素的分子式為C15H22O5,故A正確;青蒿素與氫氣發(fā)生加成反應(yīng)生成雙氫青蒿素,屬于加成反應(yīng),故B正確;由結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式可知青蒿素分子中含有過(guò)氧鍵和酯基、醚鍵,故C正確;由結(jié)構(gòu)可知,雙氫青蒿素中存在同碳上連接四個(gè)不同基團(tuán)的碳原子,故D錯(cuò)誤。]
3.(1)O>C>H　3　(2)a
(3)①離子　6　a　②sp2　SO3、C(合理即可)
③離子鍵、配位鍵、共價(jià)鍵
解析　(1)組成青蒿素的三種元素為H、C、O,根據(jù)元素的非金屬性越強(qiáng),電負(fù)性越強(qiáng)可知,非金屬性:O>C>H,則H、C、O三種元素的電負(fù)性由大到小的順序是O>C>H;在基態(tài)O原子中,核外有8個(gè)電子,其中有3個(gè)軌道有成對(duì)電子,則核外存在3對(duì)自旋相反的電子。(2)a.青蒿素中存在O—O鍵、C—C鍵,為非極性鍵,C—O鍵、C—H鍵為極性鍵,正確;b.含有飽和碳原子,具有烷烴的結(jié)構(gòu),則所有碳原子不處于同一平面,錯(cuò)誤;c.CO鍵含有π鍵,錯(cuò)誤。(3)①NaH為離子晶體,NaH晶體中每個(gè)Na+周?chē)?個(gè)H-,若晶胞棱長(zhǎng)為a,則Na+間最小核間距為a。②B(OCH3)3中B與3個(gè)O原子成鍵,為sp2雜化,B(OCH3)3的空間結(jié)構(gòu)為平面三角形,與B(OCH3)3具有相同空間結(jié)構(gòu)的分子或離子可為SO3、C。③B原子核最外層有3個(gè)電子,NaBH4中存在離子鍵、配位鍵和共價(jià)鍵。
二、對(duì)點(diǎn)訓(xùn)練
4.B　[質(zhì)譜法用于測(cè)定有機(jī)物的相對(duì)分子質(zhì)量,不能測(cè)定出有機(jī)物的化學(xué)鍵和官能團(tuán),A錯(cuò)誤;紅外光譜儀能測(cè)定出有機(jī)物的官能團(tuán)和化學(xué)鍵,B正確;核磁共振氫譜用于測(cè)定有機(jī)物分子中氫原子的種類(lèi)和數(shù)目,不能測(cè)定出有機(jī)物的化學(xué)鍵和官能團(tuán),C錯(cuò)誤;燃燒法用于元素的定性分析和定量測(cè)定,不能確定化學(xué)鍵和官能團(tuán)信息,D錯(cuò)誤。]
5.C　[質(zhì)譜儀是把有機(jī)物打成很多小碎片,會(huì)有很多不同的分子量出現(xiàn),其中最大的那個(gè)就是該有機(jī)物的分子量,所以質(zhì)譜法常用于測(cè)定有機(jī)物的相對(duì)分子質(zhì)量,故A錯(cuò)誤;紅外光譜是用于鑒定有機(jī)物中所含官能團(tuán)種類(lèi),如雙鍵、三鍵、羥基、羧基、羰基等,故B錯(cuò)誤;X射線(xiàn)衍射法,用于測(cè)定晶體結(jié)構(gòu),故C正確;核磁共振氫譜是檢驗(yàn)不同環(huán)境的H的數(shù)量,有多少種不同的H就有多少個(gè)吸收峰,各個(gè)峰的高度大致上能顯示各種H的數(shù)量比例,無(wú)法確定有機(jī)物的相對(duì)分子質(zhì)量,故D錯(cuò)誤。]
6.B　[C、H、O的第一電離能:C微項(xiàng)目　青蒿素分子的結(jié)構(gòu)測(cè)定
——晶體在分子結(jié)構(gòu)測(cè)定中的應(yīng)用
第 章　不同聚集狀態(tài)的物質(zhì)與性質(zhì)
3
1.了解測(cè)定分子結(jié)構(gòu)的一般思路與方法，認(rèn)識(shí)晶體對(duì)于分子結(jié)構(gòu)測(cè)定的獨(dú)特意義。
2.知道利用晶體X射線(xiàn)衍射能夠測(cè)定原子坐標(biāo)進(jìn)而確定分子的空間結(jié)構(gòu)，是測(cè)定分子結(jié)構(gòu)的重要手段。
3.體會(huì)分子結(jié)構(gòu)測(cè)定對(duì)于建立與優(yōu)化物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論模型，認(rèn)識(shí)、解釋和預(yù)測(cè)物質(zhì)性質(zhì)具有重要價(jià)值。
學(xué)習(xí)目標(biāo)
一、了解利用晶體測(cè)定分子結(jié)構(gòu)的意義
二、借助原子位置確定分子空間結(jié)構(gòu)
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一、了解利用晶體測(cè)定分子結(jié)構(gòu)的意義
對(duì)點(diǎn)訓(xùn)練
【情景素材】 青蒿素的組成與結(jié)構(gòu)的測(cè)定
測(cè)定方法 獲得的分子組成與結(jié)構(gòu)信息
高分辨質(zhì)譜儀 測(cè)定出青蒿素的相對(duì)分子質(zhì)量為282.33，結(jié)合元素分析，確定其分子式為C15H22O5
氧化還原反應(yīng)實(shí)驗(yàn) 推測(cè)青蒿素具有含過(guò)氧基團(tuán)的倍半萜內(nèi)酯結(jié)構(gòu)
紅外光譜 青蒿素分子中含有酯基和過(guò)氧基團(tuán)
測(cè)定方法 獲得的分子組成與結(jié)構(gòu)信息
核磁共振譜 結(jié)合核磁共振譜圖提供的關(guān)于碳、氫原子的種類(lèi)和數(shù)量的信息，推定了青蒿素中甲基、過(guò)氧基團(tuán)、帶有酯基的六元環(huán)等部分結(jié)構(gòu)片段
晶體X射線(xiàn)衍射 確定了青蒿素的分子結(jié)構(gòu)
【問(wèn)題討論】
1.測(cè)定青蒿素分子結(jié)構(gòu)時(shí)，科研人員遇到了什么困難？
提示　不能精確判斷青蒿素分子中所有碳原子和氧原子以何種方式連接成碳骨架。
2.為什么用一般的方法無(wú)法精確地測(cè)定青蒿素的分子結(jié)構(gòu)？
提示　一般的測(cè)定方法只能幫助我們認(rèn)識(shí)分子的官能團(tuán)等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)并借此推測(cè)分子的結(jié)構(gòu)，但對(duì)于所含原子數(shù)較多的分子來(lái)說(shuō)，難以精準(zhǔn)判斷其空間結(jié)構(gòu)。
【核心歸納】
晶體X射線(xiàn)衍射法測(cè)定分子結(jié)構(gòu)的程序
1.中國(guó)女藥學(xué)家屠呦呦因發(fā)現(xiàn)青蒿素對(duì)瘧疾的治療作用而成為2015年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)獲得者之一。下列說(shuō)法不正確的是(　　)
A.利用青蒿研究青蒿素結(jié)構(gòu)的基本步驟：元素分析確定實(shí)驗(yàn)式→測(cè)定相對(duì)分子質(zhì)量確定分子式→波譜分析確定結(jié)構(gòu)式
B.青蒿素的分子式為C15H22O5，它屬于有機(jī)物
C.人工合成青蒿素經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)期的實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)是化學(xué)研究的重要手段
D.現(xiàn)代化學(xué)分析測(cè)試中，可用元素分析儀確定青蒿素中的C、H、O元素
A
解析　利用青蒿研究青蒿素結(jié)構(gòu)的基本步驟為分離、提純→元素分析確定實(shí)驗(yàn)式→測(cè)定相對(duì)分子質(zhì)量確定分子式→波譜分析確定結(jié)構(gòu)式，A不正確；青蒿素屬于有機(jī)物，B正確；實(shí)驗(yàn)是化學(xué)研究的重要手段之一，C正確；現(xiàn)代化學(xué)分析測(cè)試中，可用元素分析儀確定青蒿素中的C、H、O元素，D正確。
2.中國(guó)女藥學(xué)家屠呦呦因創(chuàng)制新型抗瘧藥青蒿素和雙氫青蒿素而獲得2015年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。關(guān)于青蒿素和雙氫青蒿素(結(jié)構(gòu)如下)的下列說(shuō)法，錯(cuò)誤的是(　　)
D
A.青蒿素的分子式為C15H22O5
B.由青蒿素制備雙氫青蒿素的反應(yīng)屬于加成反應(yīng)
C.青蒿素分子中含有過(guò)氧鍵和酯基、醚鍵
D.雙氫青蒿素分子中不含有不對(duì)稱(chēng)碳原子
解析　由結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式可知青蒿素的分子式為C15H22O5，故A正確；青蒿素與氫氣發(fā)生加成反應(yīng)生成雙氫青蒿素，屬于加成反應(yīng)，故B正確；由結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式可知青蒿素分子中含有過(guò)氧鍵和酯基、醚鍵，故C正確；由結(jié)構(gòu)可知，雙氫青蒿素中存在同碳上連接四個(gè)不同基團(tuán)的碳原子，故D錯(cuò)誤。
3.我國(guó)科學(xué)家屠呦呦因發(fā)現(xiàn)青蒿素(一種用于治療瘧疾的藥物)而獲得諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。青蒿素(C15H22O5)的結(jié)構(gòu)如圖所示。請(qǐng)回答下列問(wèn)題：
(1)組成青蒿素的三種元素電負(fù)性由大到小的排序是________，基態(tài)O原子核外存在________對(duì)自旋相反的電子。
O＞C＞H
3
(2)下列關(guān)于青蒿素的說(shuō)法正確的是________(填序號(hào))。
a.青蒿素中既存在極性鍵又存在非極性鍵
b.在青蒿素分子中，所有碳原子均處于同一平面
c.圖中數(shù)字標(biāo)識(shí)的五個(gè)碳原子均只以σ鍵與其他原子相連
a
(3)在確定青蒿素結(jié)構(gòu)的過(guò)程中，可采用NaBH4作為還原劑，其制備方法為4NaH＋B(OCH3)3→NaBH4＋3CH3ONa
①NaH為_(kāi)_______晶體，如圖是NaH晶胞結(jié)構(gòu)，則NaH晶體中Na＋的配位數(shù)是
________，若晶胞結(jié)構(gòu)棱長(zhǎng)為a，則Na＋間最小核間距為_(kāi)_______。
離子
6
②B(OCH3)3中B采用的雜化類(lèi)型是________。寫(xiě)出兩個(gè)與B(OCH3)3具有相同空間結(jié)構(gòu)的分子或離子_____________________________。
③NaBH4結(jié)構(gòu)如圖所示，結(jié)構(gòu)中存在的作用力有________________________。
sp2
離子鍵、配位鍵、共價(jià)鍵
二、借助原子位置確定分子空間結(jié)構(gòu)
對(duì)點(diǎn)訓(xùn)練
借助晶體X射線(xiàn)衍射測(cè)定分子結(jié)構(gòu)的基本思路
4.在研究有機(jī)物的組成和結(jié)構(gòu)時(shí)，可用于確定化學(xué)鍵和官能團(tuán)信息的方法是(　　)
A.質(zhì)譜法 B.紅外光譜法 C.核磁共振氫譜法 D.燃燒法
解析　質(zhì)譜法用于測(cè)定有機(jī)物的相對(duì)分子質(zhì)量，不能測(cè)定出有機(jī)物的化學(xué)鍵和官能團(tuán)，A錯(cuò)誤；紅外光譜儀能測(cè)定出有機(jī)物的官能團(tuán)和化學(xué)鍵，B正確；核磁共振氫譜用于測(cè)定有機(jī)物分子中氫原子的種類(lèi)和數(shù)目，不能測(cè)定出有機(jī)物的化學(xué)鍵和官能團(tuán)，C錯(cuò)誤；燃燒法用于元素的定性分析和定量測(cè)定，不能確定化學(xué)鍵和官能團(tuán)信息，D錯(cuò)誤。
B
5.(2023·天津紅橋區(qū)期末)下列方法常用于測(cè)定晶體結(jié)構(gòu)的是(　　)
A.質(zhì)譜法 B.紅外光譜法 C.X射線(xiàn)衍射法 D.核磁共振氫譜法
解析　質(zhì)譜儀是把有機(jī)物打成很多小碎片，會(huì)有很多不同的分子量出現(xiàn)，其中最大的那個(gè)就是該有機(jī)物的分子量，所以質(zhì)譜法常用于測(cè)定有機(jī)物的相對(duì)分子質(zhì)量，故A錯(cuò)誤；紅外光譜是用于鑒定有機(jī)物中所含官能團(tuán)種類(lèi)，如雙鍵、三鍵、羥基、羧基、羰基等，故B錯(cuò)誤；X射線(xiàn)衍射法，用于測(cè)定晶體結(jié)構(gòu)，故C正確；核磁共振氫譜是檢驗(yàn)不同環(huán)境的H的數(shù)量，有多少種不同的H就有多少個(gè)吸收峰，各個(gè)峰的高度大致上能顯示各種H的數(shù)量比例，無(wú)法確定有機(jī)物的相對(duì)分子質(zhì)量，故D錯(cuò)誤。
C
6.青蒿素的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式如圖所示，下列有關(guān)青蒿素的敘述不正確的是(　　)
B
A.組成青蒿素的三種元素C、H、O中，O元素的第一電離能最大
B.青蒿素分子結(jié)構(gòu)中存在極性鍵、非極性鍵、離子鍵
C.青蒿素分子中的共價(jià)鍵包括σ鍵和π鍵
D.紅外光譜顯示青蒿素有三種官能團(tuán)
解析　C、H、O的第一電離能：C

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