第二单元科学家怎样研究有机物.ppt

认识有机化合物 第二单元科学家怎样研究有机物 2 有机物有哪些不同于无机物的性质 3 从自然界中提取的有机物是纯净物吗 1 有机化合物中通常含有哪些元素 组成元素 C H O N P S 卤素等 1 多数易溶于极性较小的溶剂 2 多数受热易分解 熔点一般在400 以下 3 多数易燃烧 4 多数是非电解质 分子晶体 共价化合物 5 有机反应一般比较复杂 副反应多 反应速率较慢 科学家研究有机物经历了几个阶段 提纯 分离出纯净的有机物 研究有机物的组成 结构 性质和应用 设计 合成有机化合物 有机化合物的研究步骤 有机物 纯净 有机物的性质 结构式 结构简式 有哪些官能团 确定实验式 分子式 首先要确定有机物中含有哪些元素 定性分析 然后要知道这些元素的含量 定量测定 定量测定元素的含量 李比希元素分析法 1831年 李比希最早提出测定有机化合物中碳氢元素质量分数的方法 李比希元素分析法 的原理 用高氯酸镁吸收 用碱石棉吸收 得前后质量差 得前后质量差 计算C H含量 计算O含量 得出实验式 例2 一定量的某烃与足量氧气混合 通入电炉中完全燃烧后 高氯酸镁 Mg ClO4 2 增重7 2g 烧碱石棉增重8 8g 试确定该物质的最简式 解 该烃的实验式为 CH4 思考 能否确定该烃的分子式 为什么 例3 实验测得某碳氢化合物A中含碳80 含氢20 求A的最简式 要求出A的分子式还需要哪些条件 分子式 有机物中各元素原子的质量分数或质量比 最简式 1 标准状况下A的密度为1 34g L 2 相同条件下A对H2的相对密度为15 标况密度 或相对密度 相对分子质量 定性分析方法 一般来说 有机物完全燃烧后 各元素对应的产物为C CO2 H H2O Cl HCl N N2 如 某有机物完全燃烧后 若产物只有CO2和H2O 其元素组成为 肯定有C H 可能有O 例1 3 2克某有机物在纯氧中燃烧 只生成4 4gCO2和3 6gH2O 则该化合物由哪些元素组成 1 燃烧法 一 有机化合物组成的研究 m 有机物 m C m H 有机物中含有氧元素m 有机物 m C m H 有机物中不含氧元素 其它常见的元素测定方法 钠融法可定性确定有机物中是否存在等元素 这些元素分别以等的形式存在 铜丝燃烧法可定性确定有机物中是否存在 元素分析仪可同时对等多种元素进行分析 N Cl Br S 卤素 C H O S 氰化钠 氯化钠 溴化钠 硫化钠 元素分析仪 速度快 可以同时对碳 氢 氧 硫等多种元素进行分析 分析试样可以是易挥发或难熔物质 元素分析仪与计算机连接 可进行存储和统计分析 并可根据要求生成各种形式的分析报告 结论准确 精度高 速度快 现在人们常借助元素分析仪来确定有机化合物的组成 元素分析仪是在不断通入氧气流的条件下 把样品加热至950 1200 使之充分燃烧 再对燃烧产物进行自动分析 元素分析仪自动化程度高 分析元素含量所需的样品质量小 分析 元素分析仪分析法 测定元素组成及相对分子质量 练习1 9 2g某有机物A在过量氧气中完全燃烧后 将生成的产物先通过浓硫酸增重7 2g 后通过碱石灰增13 2g 剩余气体只有氧气 又知 测得该化合物的蒸气对乙醇的相对密度是2 求该化合物的分子式 C3H8O3 练习2 吗啡是严格查禁的毒品 吗啡的组成中 碳元素的质量分数为71 58 氢元素的质量分数为6 67 氮元素的质量分数为4 91 其余为氧元素 已知吗啡的相对分子质量不超过300 则吗啡的相对分子质量为 吗啡的分子式为 285 C17H19NO3 练习3 0 2mol某一元醇 在密闭容器中燃烧后 产物为CO2 CO H2O 产物依次通过浓硫酸后 浓硫酸增重10 8g 在通过灼热的CuO 充分反应后 CuO质量减少3 2g 最后通过碱石灰增重17 6g 写出有机物的分子式和结构简式 C2H6O CH3CH2OH 归纳 确定相对分子质量的常见方法 1 根据标况下气体的密度求 M 22 4L mol g L 22 4 g mol 2 依据气体的相对密度 M1 DM2 D 相对密度 3 求混合物的平均式量 4 运用质谱法来测定相对分子质量 确定相对分子质量 确定分子式 归纳确定有机化合物的分子式的方法有哪些 方法一 有机物燃烧产物 碳氢等元素质量分数 实验式 最简式 相对分子质量 有机物的分子式 方法二 知道一个分子中各种原子的个数 1mol物质中的各种原子的物质的量 1mol物质中各原子 元素 的质量 原子的摩尔质量 1mol物质中各种原子 元素 的质量 物质的摩尔质量 各种原子 元素 的质量分数 相对分子质量的测定 质谱仪 方法与技巧 余数法确定烃的分子式 用烃的相对分子质量除以14 视商数和余数 若烃的类别不确定CxHy 可用相对分子质量M除以12 看商和余数 即M 12 x 余y 分子式为CxHy M CxHy M CH2 M 14 a a为碳原子数 余2为烷烃整除为烯烃或环烷烃差2整除为炔烃或二烯烃差6整除为苯或其同系物 此法用于确定通式的烃 如烷 烯 炔 苯的同系物等 例题 分别写出相对分子质量为128 72的烃的分子式 二 有机化合物结构的研究 德国化学家李比希 1803 1873 1832年和维勒合作提出 基团论 有机化合物由 基 组成 这类稳定的 基 是有机化合物的基础 1838年李比希还提出了 基 的定义 不同的基团有不同的结构和性质 羟基 醛基 羧基 氨基 硝基 酯基碳碳双键 碳碳叁键 甲基 乙基 苯基丙基 2种 丁基 4种 基 与 根 的区别 有机物中的 基 包括两类 一类是烃基 烃分子失去一个或几个氢原子所剩余的部分叫做烃基 如甲基 乙基等 常用R 表示另一类是官能团 决定有机物的主要化学性质的原子或原子团 如 OH COOH等 是有机化学分类的主要依据 二 有机化合物结构的研究 例 确定C3H6O的结构 1 计算不饱和度 不饱和度 又称为 缺氢指数 用希腊字母 来表示 它是反映有机物分子不饱和程度的量化标志 烷烃分子中饱和程度最大 规定其 0 其它有机物分子与相同碳原子数的开链烷烃相比 每少2个H 则不饱和度增加1 任意一个烃的分子式为CxHy 则 双键数 叁键数 2 环数 计算下列烃或烃基的 值 CH C CH CH2 CH3 2CH CH2 CHCH2 C17H30 例 计算C3H6O C8H9Cl的不饱和度 练习 写出下列物质的分子式 C16H18O2ClBr 有机化合物中不含有的基团是 A 醛基B 羧基C 羟基D 烃基 D 3 现代化学测定有机物结构的方法 核磁共振 NMR 红外光谱 IR 氢原子种类不同 所处的化学环境不同 特征峰也不同 2 推测分子中可能含有的基团 核磁共振 氢原子核具有磁性 如用电磁波照射氢原子核 它能通过共振吸收电磁波能量 发生跃迁 用核磁共振仪可以记录到有关信号 处于不同化学环境中的氢原子因产生共振时吸收的频率不同 在谱图上出现的位置 化学位移 也不同 且吸收峰的面积与氢原子数成正比 因此 从核磁共振氢谱图上可以推知该有机物分子有几种不同类型的氢原子及它们的数目 原理 用途 吸收峰数目 氢原子类型 不同吸收峰的面积之比 强度之比 不同氢原子的个数之比 请根据乙醇分子的结构思考以下问题 1 乙醇分子中有几种不同化学环境的氢原子 2 图1 9是分子式为C2H6O的两种有机化合物的H核磁共振谱图 你能分别出哪一幅是乙醇的H NMR谱图吗 请与同学们交流你作出判断的理由 特征峰 种 强度比 观察与思考 下列有机物中有几种不同化学环境的H原子以及个数之比 种 种 种 种 CH3 CH2 COOH CH3CH2CHOCH3COCH3CH2 CHCH2OH 讨论 C3H6O各种异构体中有几种不同化学环境的H原子以及个数之比 3种 3 2 1 1种 4种 2 1 2 1 3种 4 1 1 练习 下图是某有机物的1H核磁共振谱图 则该有机物可能是 A CH3OHB CH3CH2CH2OHC CH3CH3D CH3CH2CHO C 练习2 下列有机物在1H NMR上只给出一组峰的是 A HCHOB CH3OHC HCOOHD CH3COOCH3 A 练习 分子式为C3H6O2的二元混合物 如果在核磁共振氢谱上观察到氢原子给出的峰有两种情况 第一种情况峰给出的强度为3 3 第二种情况峰给出的强度为3 2 1 由此推断混合物的组成可能是 CH3COOCH3 CH3CH2COOH HCOOCH2CH3 CH3COCH2OH HCOCH2OCH3 拓展视野 诺贝尔化学奖与物质结构分析 2002年 引入了核磁共振光谱学观察到了DNA 蛋白质等大分子的真面目 美国芬恩 日本田中耕一 瑞士维特里希 2 红外光谱 IR 法 原理 1 当用红外线照射有机物分子时 分子中的化学键 官能团可发生振动吸收 2 不同的化学键 官能团 吸收频率不同 在红外光谱图中将处于不同位置 3 根据红外光谱图 推知有机物含有的化学键 官能团 以确定有机物的结构 红外光谱仪 3650cm 1 由O H键的伸缩振动产生2960 2870cm 1 C H CH3 CH2 键的伸缩振动产生1450 650cm 1 主要由C C C O单键的各种振动产生 某些化学键所对应的频率会受诸多因素的影响而有小的变化 CH3CH2OH 例题 有一有机物的相对分子质量为74 确定分子结构 请写出该分子的结构简式 C O C 对称CH3 对称CH2 CH3CH2OCH2CH3 练习 下图是一种分子式为C4H8O2的有机物的红外光谱谱图 则该有机物的结构简式可能为 C O C C O 不对称CH3 CH3CH2COOCH3或CH3COOCH2CH3 CH3COCH2OCH3 原理 1 高能电子束轰击有机物分子 使之分离成带电的 碎片 2 这些不同离子具有不同的质量 质量不同的离子在磁场作用下达到检测器的时间有差异 其结果被记录为质谱图 3 质谱法 测定相对分子质量质谱法是最精确 最快捷的方法 质谱仪 乙醇的质谱图 质荷比最大 最右边的峰 的数据表示未知物的相对分子质量 4 紫外光谱法 UV 原理 1 以紫外或可见单色光照射吸光物质的溶液 用仪器测量入射光被吸收的程度 常用吸光度表示 2 记录吸光度随波长的变化的曲线 或波长一定时 用吸光度和吸光物质浓度之间的关系来进行定性或定量分析 研究有机物的组成 结构的一般步骤 粗产品 分离提纯 定性分析 定量分析 确定组成元素 质量分析 测定分子量 结构分析 实验式或最简式 分子式 结构式结构简式 小结 现代化学测定有机物结构的方法 1 核磁共振氢谱法2 红外光谱法3 质谱法4 紫外光谱法 分子中H所处的化学环境种数及数目 分子中含有的化学键 官能团 测定相对分子质量 分子中含有的特定基团 练习 某有机物的分子式为C3H6O 其核磁共振谱图如下所示 请写出它的结构式 在化学物质的 海洋 中 是否存在分子组成和原子连接方式完全相同的两种分子 由于分子中的原子在空间排列不同 而互为同分异构体 思考 下面这两种分子是同一种物质吗 认识有机物的立体异构 反式结构顺式结构 手性分子 它们犹如一个人的左右手 其中一只手只有在镜像中才能与另一只手完全重叠 当有机物分子中的一个碳原子所连四个原子或原子团均不相同时 此碳原子就是 手性碳 认识有机物的立体异构 对映异构 手性分子具有特殊的光学性质 光通过它们时会发生旋转 旋光性 手性分子的两种异构体呈镜像对称 像人的左右手一样 手性分子丙氨酸的结构模型 丙氨酸分子 手性碳原子 L 丙氨酸可使偏振光向右旋转 D 丙氨酸则可使偏振光向左旋转 用于测手性化合物旋光性的偏振计及其原理 交流与讨论 诺贝尔化学奖与逆合成分析理论 1967年美国有机化学家科里 EliasJamesCorey 他提出了具有严格逻辑性的 逆合成分析原理 由于科里提出有机合成的 逆合成分方法 并成功地合成50多种药剂和百余种天然化合物 对有机合成有重大贡献 而获得1990年诺贝尔化学奖 基础原料 中间体 目标化合物 中间体 拓展视野 诺贝尔化学奖与不对称合成 2001年度诺贝尔化学奖授予给三位科学家 他们分别是美国科学家诺尔斯 日本科学家野依良治及美国科学家夏普雷斯 得奖理由 在手性催氢化反应研究方面做出卓越贡献 对有机化合物进行了不对称合成 他们的研究成果涉及到手性分子与对映异构 三 有机化学反应的研究 机理与方法 有机化学反应需要什么条件 受哪些因素的影响 反应机理如何等等 这些都是科学家们研究的课题 甲烷氯代反应机理的研究 自由基型链反应 1 化合物分子在光或热等条件下 共价键发生均裂 2 形成具有很强反应活性的单电子原子或基团 3 它们可与其他反应物分子作用 生成新的游离基 引发链式反应 1 化学方程式与反应机理 1 将氯气先用光照 在黑暗中放置一段时间后 再与甲烷混合 不生成甲烷氯代产物 解 在黑暗中放置后 氯气经光照产生的氯自由基已销毁2 将氯气先用光照 立即在黑暗中与甲烷混合 生成甲烷的氯代产物 解 氯气经光照后可产生自由基 立即在黑暗中与甲烷混合 引发反应 生成甲烷的氯代产物3 甲烷用光照后 立即在黑暗中与氯气混合 不生成甲烷氯代产物 解 甲烷分子中C H键较强 不会在光照下发生均裂 产生自由基 问题解决 拓展视野 诺贝尔化学奖与同位素示踪法 1 海维西 GeorgeHevesy 匈牙利化学家 1885年8月1日生于布达佩斯 2 海维西曾就读于柏林大学和弗赖堡大学 3 1911年在曼彻斯特大学E 卢瑟福教授的指导下研究镭的化学分离 为他日后研究放射性同位素作示踪物打下了基础 4 1943年 海维西任斯德哥尔摩有机化学研究所教授 5 同年 他研究同位素示踪技术 推进了对生命过程的化学本质的理解而获得了诺贝尔化学奖 海维西发表的主要专著是 放射性同位素探索 问题解决 酯化反应的反应机理 酯的水解反应机理 2 反应机理的研究方法 同位素示踪法 练习 某一元醇C2H6O中氧为1