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有機合成及其應用
合成高分子化合物
第三章
3.2有機化合物結構的測定
章節脈絡
第三章
有機合成及其應用
合成高分子化合物
3.2有機化合物結構的測定
3.1有機化合物的合成
3.3合成高分子化合物
有機化合物結構的測定
1. 宏觀辨識與微觀探析
從宏觀層面觀察有機化合物的物理性質和化學性質，感知物質性質差異背后的結構因素。深入微觀視角，通過質譜、紅外光譜、核磁共振譜等數據，理解有機化合物中原子的微觀特征，能夠從微觀結構角度解釋有機化合物的化學行為與特性。
2. 證據推理與模型認知
基于有機化合物結構測定的實驗數據和譜圖信息，培養學生進行合理證據推理的能力。引導學生歸納總結不同類型有機化合物結構測定的一般方法和規律，構建有機化合物結構分析的認知模型。
3. 科學態度與社會責任
引導學生認識有機化合物結構測定在醫藥研發、材料科學、環境保護等領域的重要應用，以及結構測定技術發展對推動科學進步和社會發展的重要意義，增強學生的社會責任感和使命感 。
核心素養目標
學習重難點
重點：
1. 理解紅外光譜、核磁共振氫譜在官能團識別、氫原子種類及數目分析中的核心作用。
2. 能夠整合元素分析、質譜、光譜等多組數據，從分子式推導不飽和度，結合官能團特征峰與氫譜峰信息，逐步推斷有機化合物的結構簡式。
難點：
1. 掌握利用元素分析確定有機化合物元素組成及最簡式，熟練運用質譜法測定相對分子質量、確定分子式。
2. 針對多官能團、多環結構的有機化合物，依據有限數據設計多種可能結構，并通過合理驗證排除錯誤假設，構建完整且符合邏輯的結構推導路徑。
課前導入
當人們從自然界中得到某一新化合物并將其提純以后，測定其結構就是最重要的工作了。只有確定了這種化合物分子的結構，才能進一步了解和應用這種化合物。
在有機合成中，對天然產物合成的首要工作就是測定目標化合物分子的結構；而對人工設計的有機化合物，在合成后也必須測定其結構才能確定它是否就是目標產物。
那么，怎樣對有機化合物進行結構測定呢？
結構測定在有機化學中有什么重要作用？
測定有機化合物結構的流程
PART 01
有機化合物
官能團及碳骨架狀況
分子式
相對分子
質量測定
元素組成
相對分子質量
定性
定量
分析
化學分析或儀器分析
分子結構
由哪些元素組成
各元素的質量分數
核心步驟
測定有機化合物結構的流程
元素組成
用途
適用條件
液態有機化合物熱穩定性較強
液態有機化合物中含有的雜質量較少且與雜質的沸點有顯著差別（一般大于30℃）
分離、提純液態有機化合物
分離、提純有機化合物的常見方法
1.蒸餾
分離、提純后才能進行結構測定
測定有機化合物結構的流程
2.重結晶
分離、提純固態有機化合物的常用方法
(1)原理
(2)重結晶的關鍵
利用有機化合物在某種溶劑中的溶解度受溫度影響較大，加熱使其溶解于溶劑中，再降溫使其溶解度下降，從而析出該有機化合物的結晶。
① 選擇適當的溶劑。雜質在此溶劑中的溶解度較大或較小，易于除去；被提純的有機化合物在此溶劑中溫度較高時溶解度較大， 溫度降低時溶解度迅速減小，冷卻后易于結晶析出。
② 樣品中雜質含量較少（通常質量分數小于 5%）。
測定有機化合物結構的流程
3.萃取
富集有機化合物的常用方法
萃取
應用
常用的與水互不相溶的有機溶劑
乙醚、石油醚、二氯甲烷等
蒸餾、反萃取等
一般是用有機溶劑從水中萃取有機化合物
萃取后分離待測有機化合物與有機溶劑的方法
測定有機化合物結構的流程
有機化合物分子式的確定
PART 02
有機化合物分子式的確定
氮元素
質量分數的測定
鹵素
質量分數的測定
氧元素
質量分數的測定
碳、氫元素
質量分數的測定
測二氧化碳和水
的質量
測氮氣的體積
測鹵化銀的質量
100%與其他元素的質量分數之和的差值。若為零，說明不含氧元素；若不為零，差值一般為氧元素的質量分數
確定有機化合物的實驗式
在氧氣流
中充分燃燒
在二氧化碳
氣流中反應
CuO,
與發煙硝酸、硝
酸銀反應，將鹵
素原子轉變為鹵
化銀沉淀
一般先用濃硫酸吸收H2O，后用堿石灰吸收CO2
(1)有機化合物元素組成的測定方法及步驟
有機化合物分子式的確定
由相對分子質量確定分子式
某僅含碳、氫、氧三元素的有機化合物，若n(C) : n(H) : n(O) = 1∶ 2∶ 1，則其實驗式為 CH2O，式量為 30。
進一步測出有機化合物的相對分子質量后，就可以根據其相對分子質量對實驗式式量的倍數來確定分子式。若上例中樣品的相對分子質量為60，是 CH2O 式量(30)的 2 倍，則該有機化合物的分子式就是 C2H4O2。
有機化合物分子式的確定
(2)質譜法測定有機化合物的相對分子質量
質譜圖記錄了有機化合物分子裂解碎片形成的帶正電荷的各種離子的質量大小，一般最大的離子質量就是有機化合物的相對分子質量。
以質譜中基峰（最強峰）的高度為100%，其余峰以與基峰的比值加以表示的峰強度為相對豐度，又稱相對強度。
(3)有機化合物分子式的確定
有機化合物的分子式 = (實驗式)n, n =
部分有機化合物的實驗式中，碳原子已達到飽和，則該有機化合物的實驗式即為分子式，如CH4、CH3Cl、C2H6O、C4H10O3
有機化合物分子式的確定
某些特殊組成的實驗式，不用結合其相對分子質量，也可根據其組成特點確定其分子式，例如實驗式為CH3的有機化合物，其分子式可表示為(CH3)n，當n=2時，碳原子已達到飽和，故其分子式只能為C2H6。同理，實驗式為CH3O的有機化合物，當n=2時，碳原子已達到飽和，故其分子式只能為C2H6O2。
有機化合物結構式的確定
PART 03
有機化合物結構式的確定
(1)確定有機化合物結構式的流程
有機化合物分子式
計算不飽和度
化學性質實驗或儀器分析圖譜
推測化學鍵類型
判斷官能團種類及官能團所處位置
確定有機化合物結構式
判斷是否存在不飽和鍵
有機化合物結構式的確定
(2)有機化合物分子不飽和度的計算
如何計算有機化合物分子的不飽和度
有機化合物分子的不飽和度為：
式中：x 為碳原子數，y 為氫原子數。
在計算不飽和度時，若有機化合物分子含有鹵素原子，可將其視為氫原子；若含有氧原子，則不予考慮；若含有氮原子，就在氫原子總數中減去氮原子數。
例如，分子式為 C6H5NO2 的分子的不飽和度為：
有機化合物結構式的確定
常見基團的不飽和度
(3)確定有機化合物的官能團
有機化合物結構式的確定
可能的官能團 試劑 判斷依據 備注
碳碳雙鍵 或碳碳三鍵 溴的四氯化碳溶液 橙紅色溶液褪色 —
酸性 KMnO4 溶液 紫色溶液褪色 必須先排除醛基、羥基等的干擾
鹵素原子 NaOH 溶液（加熱）、稀硝酸、AgNO3 溶液 有沉淀產生 在加入AgNO3 溶液前，必須先用稀硝酸酸化
醇羥基 鈉 有氫氣放出 必須排除羧基、酚羥基的干擾
化學方法
可能的官能團 試劑 判斷依據 備注
酚羥基 FeCl3 溶液 顯色 不同的酚所顯顏色不完全相同
溴水 有白色沉淀產生 —
醛基 銀氨溶液 有銀鏡生成 水浴加熱
新制氫氧化銅懸濁液 有磚紅色沉淀產生 加熱
羧基 NaHCO3 溶液 有二氧化碳氣體放出 —
(3)確定有機化合物的官能團
有機化合物結構式的確定
實驗探究——利用官能團性質鑒別有機化合物
實驗室中有四瓶標簽模糊的無色溶液，分別是乙醇溶液、乙醛溶液、乙酸溶液和苯酚溶液。你能用化學方法將它們鑒別出來嗎？
實驗目的
通過官能團檢驗，鑒別乙醇、乙醛、乙酸、苯酚。
實驗用品
待鑒別試劑（乙醇溶液、乙醛溶液、乙酸溶液、苯酚溶液），FeCl3 溶液，NaHCO3 溶液，10% NaOH 溶液，2% CuSO4 溶液，酸性 KMnO4 溶液；
pH 試紙，試管，燒杯，膠頭滴管，玻璃棒，酒精燈，表面皿，鑷子，濾紙，試管夾等。
實驗方案設計
1. 分析乙醇、乙醛、乙酸、苯酚四種有機化合物中的官能團，明確含有這些官能團的有機化合物可能具有的性質。
物質 官能團 可能具有的性質
乙醇 具有還原性
乙醛 具有較強還原性
乙酸 能電離出H+，具有酸性
苯酚 遇FeCl3溶液發生顯色反應（紫色）
OH
CHO
COOH
OH
2. 選擇用于鑒別四種物質的化學反應。
實驗方案設計
待鑒別的物質 選擇的化學反應
乙醇 乙醇與酸性KMnO4溶液的氧化反應
乙醛 氧化反應：CH3CHO + 2Cu(OH)2 + NaOH CH3COONa + Cu2O↓ + 3H2O
乙酸 生成CO2的反應：CH3COOH + NaHCO3 CH3COONa + H2O + CO2↑
苯酚 苯酚遇FeCl3溶液的顯色反應

3. 給樣品編號，設計實驗操作過程，用實驗流程圖說明操作方案，完成鑒別。
實驗方案設計
甲、乙、丙、丁四種溶液
甲：顯紫色
無明顯現象
無明顯現象
乙：產生氣體
無明顯現象
FeCl3溶液
NaHCO3溶液
丙：出現磚紅色沉淀
酸性KMnO4溶液
丁：褪色
乙醇
乙醛
乙酸
苯酚
實驗探究——利用官能團性質鑒別有機化合物
(3)確定有機化合物的官能團
有機化合物結構式的確定
物理方法
①核磁共振氫譜（1H-NMR）
作用 測定有機化合物分子中有幾種不同化學環境的氫原子及它們的相對數目
關系 吸收峰組數=氫原子種類數目，吸收峰面積比=不同類型的氫原子個數比
該有機化合物分子含有五種不同化學環境的 H 原子，其個數比為1 : 1 : 2 : 1 : 6。
(3)確定有機化合物的官能團
有機化合物結構式的確定
物理方法
②紅外光譜（IR）
作用 根據紅外光譜圖可以初步判斷有機化合物中含有的化學鍵或官能團的種類
根據吸收峰位置判斷，該有機物中存在：
C C
C O（酯羰基）
C N
C O
C
課堂小結
有機化合物結構式的確定
有機化合物分子式的確定
有機化合物分子式的確定
分離、提純有機化合物的常見方法
元素組成的測定方法及步驟
質譜法測定相對分子質量
流程
確定官能團
不飽和度的計算
測定有機化合物結構的流程
流程
隨堂訓練
1.鹵代烴與金屬鎂在無水乙醚中反應,可制得格氏試劑RMgX,它可與醛、酮等
羰基化合物加成: 所得產物經水解可以得到醇,這是某些復雜醇的合成方法之一。現欲合成(CH3)3COH,下列所選用的鹵代烴和羰基化合物的組合正確的是 (　　)
A.乙醛和氯乙烷　　　　　　 B.甲醛和1-溴丙烷
C.甲醛和2-溴丙烷 D.丙酮和一氯甲烷
D
隨堂訓練
2.由 轉變成 ，需經過下列哪種合成途徑 (　　)
A.消去→加成→消去　　 B.加成→消去→消去
C.加成→消去→加成　　 D.取代→消去→加成
A
隨堂訓練
3.用甲苯生產一種常用的化妝品防霉劑，其生產過程如圖(反應條件沒有全部注明)。
隨堂訓練
回答下列問題:
(1)有機物A的結構簡式為____________________。
(2)在合成路線中，設計第③步反應的目的是______________________。
(3)寫出反應⑤的化學方程式:________________________。
(4)請寫出由 生成C7H5O3Na的化學方程式:____________________________。
保護酚羥基，防止其被氧化
謝謝觀看

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