九月初赛最后专题之氢键练习.doc

氢键专题1、 在水溶液和醇溶液中的溶解性如何？说明理由2、下面的研究有助于进一步揭示疏水效应和疏水作用的本质。芳香化合物在水中的溶解度其实也不是很小，这取决于相互间的氢键作用，该氢键是因为什么而产生？_；Na，K 等阳离子能与有些芳香化合物很好的互溶取决于 。3、液体氟化氢是酸性溶剂，具有相当强的的Lewis酸性和较高的相对介电常数。HF是离子型物质的优良溶剂，但其高活性和毒性给操作带来困难。LiF溶于HF产生两种离子 ；从物质结构作用力考虑能够发生这个反应的原因是 。4、（1）比较下面的等电子系列的熔点，说明H3NBH3熔点高的原因并图示之。 H3CCH3 H3CF H3NBH3 180 141 104（2）图示出分子间及分子间的氢键5、聚脲是分子主链中含有链节的高分子化合物，最初是由于其具有高强高模的力学性能和耐水解性而得到发展的。芳香族聚脲分子链刚性很强，熔融温度非常高，一定程度限制了它的应用。这是因为这种物质结构上的特点 ；6、H2O的沸点（100）比HF的沸点（20）高，请解释原因。7、超分子自组装是指一种或多种分子依靠分子间相互作用，自发地结合起来，形成分立的或伸展的超分子。氢键是超分子自组装中最重要的一种分子间相互作用。列举在自然界中普遍存在，最重要的通过氢键自组装的超分子。右图A和B在分子的3个方向上形成分子间通过氢键组装成大片薄饼状的超分子。写出A、B的结构简式和合成A、B的简单物质。除氢键外，哪些作用也可形成超分子C、D、E、F是简单的芳香酸，他们通过氢键作用：C形成二聚分子；D形成直线状超分子；E形成锯齿状超分子；F形成蜂窝状平面超分子（类似右图）。画出C、D形成的分子的结构图；写出E、F的名称。8、开关性系统一直是超分子化学所研究目标，美国加州大学圣地歌分校的研究人员曾经发现1,2二芳基取代的尿素与苯的硝基取代产物（A和B）可以形成可逆性还原反应。以1,2二苯基尿素（简写为DPU，1,2Diphenylurea）为例，在溶剂DMF中，A与DPU未观察到任何相互作用，但当A被还原为自由基离子后却与DPU有强的作用（K105 M1，DMF）。B在被还原后同样与DPU有强的相互作用，这一点已经被循环伏安法所证实。A的HNMR显示有三种不同化学环境的H，B则只有一种。请问DMF属于哪类溶剂，为何本实验选用此类溶剂？以结构式表示，写出A、B与DPU相互作用的原因。9、 和哪种物质可以用水蒸气蒸馏，解释原因。10、纯HClO4是一种不导电的液体，而当固体HClO4H2O熔化时其具有导电性。写出HClO4和HClO4H2O分子的可能点电子结构图说明在此例中氢键的重要性。11、12、13 、 14、 15、16、画出（s）-2-苯基丁醛的newman式稳定构象。指出手性碳的构型。17、18、19、20、21、的烯醇式结构能稳定纯在的原因。22、邻羟基苯甲酸甲酯比苯酚难电离的原因是什么？23、尿素分子可形成二聚体，四聚体，试画出尿素二聚体，和四聚体的结构。形成多聚分子后发现能量与以单分子存在形式相比显著降低，试解释原因。24、比较下列化合物与乙醇形成氢键的能力：(H3Si)2O和(H3CH2C)2O25、A与ADN最简式相同，元素分析表明：N:45.2%,H:3.2%,O:51.6%,分子量均在200以下给出A，B，ADN的结构简式，并画出B，ADN的结构26、H是周围没有电子层，是一个裸露的原子核，所以质子的电荷中心比一般离子更容易靠近邻近的原子或离子。原子核外有电子层的一般离子的尺度数量级在1010m。而质子的大小是费米级（1015m）的。它不但是最简单的离子，也是最轻、最小的离子。正因为质子具有以上这些极特殊的结构特点，使它往往与周围环境有很强的相互作用，在溶液中更易溶剂化。 1我们通常遇到的质子都是与其它一些分子H2O如通过氢键结合以复合离子H3O形式存在，请再举出2例。 2在水溶液中，H与H2O中的O通过氢键结合，形成水合氢离子H3O（如左下图）。然而，在水溶液中H是否只以H3O一种形式存在呢？质子总的水合能（1117kJ/mol）比质子与一个水分子结合的能量（714kJ/mol）要大，这说明H可能与不只一个水分子发生相互作用，或者说，H与一个H2O分子形成的H3O还可能进一步与邻近的水分子结合。比如H5O2（如右下图）。请画出两种H9O4的结构式，并且归纳更大的团簇分子式通式3在气相中，H2O和HF、HCl、HCN和NH3等的加合物已用微波谱研究过，并为“谁是质子给体？谁是质子受体？”这一问题提供答案。请写出HF、HCl、HCN和NH3在气相中和水加合物的结构式，用“-”表示氢键，用“”表示共价键，说明哪种加合物中水是质子给体，为什么？27、分别量取0.5mol CHCl3、(CH3)2CO、C2H5OH及H2O，并测量其温度。然后分别混合CHCl3和(CH3)2CO，C2H5OH和H2O，搅拌并测量溶液温度所能达到的最高值。其实验结果是：前者升温911，后者升温45。1思考如何解释这一问题？2在以上2个反应中都有氢键形成，为什么CHCl3和(CH3)2CO间形成氢键释热量更大呢28、氯仿在苯中的溶解度明显比1,1,1-三氯乙烷的大，请给出一种可能的原因。29、某石油化工厂用三乙醇胺的水溶液代替氢氧化钠水溶液洗涤石油裂解气除去其中的二氧化碳和硫化氢，年增产值100万元。三乙醇胺可以看作是氨的衍生物：用乙醇基（CH2CH2OH）代替氨分子里的氢。三乙醇胺的碱性比氨弱，但沸点却高得多：200。试用你学过的分子结构原理来解释：为什么三乙醇胺的碱性和沸点相对于氨有这样的特性？30、某温、某压下取三份等体积无色气体A，于25、80及90测得其摩尔质量分别为58.0、20.6、20.0克/摩尔。于25、80、90下各取l1dm3（气体压力相同）上述无色气体分别溶于10dm3水中，形成的溶液均显酸性。1无色气体为 ；2各温度下摩尔质量不同的可能原因是： 3若三份溶液的体积相同（设：溶解后溶液温度也相同），其摩尔浓度的比值是多少？31、甲烷水合物（nCH4mH2O，m、n为1个晶胞中CH4、H2O的分子个数）是一种具有重要经济价值的化合物，在海洋深处蕴藏量非常大，是未来的重要能源之一。它的晶体结构可看作由十二面体（五边形组成）和十四面体（五边形和六边形）共面连接堆积形成。在立方晶胞中，十二面体的中心处在顶角和体心位置；十四面体中心位置在面上，坐标为（1/4，1/2，0）、（3/4，1/2，0）、（0，1/4，1/2）、（0，3/4，1/2）、（1/2，0，1/4）、（1/2，0，3/4）计6个。它们彼此共用六角形面连成柱体，再和五角十二面体共面连接。右图所示出甲烷水合物中水骨架的结构（立方体为晶胞）。（1）H2O分子是通过什么作用力结合成三维骨架的，确定组成十二面体和十四面体的水分子个数；（2）确定晶胞中十二面体和十四面体的个数（3）计算晶胞中骨架水分子的个数（m值），写出计算过程和理由；（4）CH4分子由于体积较小，可包合在这两种多面体中，若全部充满时，确定晶胞的组成为（n值）。（5）画出水形成的十二面体和十四面体32、在常温常压下，CO2饱和溶液的浓度约为0.04moldm3，pH约为4。一般认为CO2溶于水形成的H2CO3是二元弱酸，在水中发生下列电离：H2CO3HCO3H K1；HCO3CO32H K2。实际上，CO2溶于水中，大部分形成CO26H2O，只有一小部分形成H2CO3，经实测KCO26H2O/H2CO3600。因此，根据溶液中H2CO3的实际浓度（而不是溶解的CO2的浓度），计算得到的K数值与上述不同。（1）计算H2CO3的理论K1值（假如CO2溶于水，全部转化为H2CO3时的K1值）；（2）计算H2CO3的实际K1值；（3）画出(HCO3)22和(HCO3)nn的氢键结构；33、在自然界，氢键广泛用于调控生物分子间的缔合。氢键的强度及方向性可用于按预测的几何组装分子，如选择性地键合及识别，反应催化，基因信息的贮存、复制及表达，功能材料的制备等等。通过氢键可以在液态及固态形成各种各样的聚集体。这些聚集体是可预测的也是可以调整的超分子建筑。因为这些结构是由独立的子单元构成，人们称为这些子单元为“构造块”，因此我们称它为分子构造学，它是使用构造块构筑超分子的科学及艺术。氢键的强度及可预测的方向性是同自组装过程中其他弱相互作用力有区别的。氢键方法的优点是使超分子聚集体由建筑块同时形成超分子构筑。它可以避免逐条键合成的方式。在原则上，在超分子构造中，氢键在强度及方向性上压倒其他分子问的相互作用并且控制构造块的聚集。（1）下面两种物质A、B都有二吡啶酮环结构，都能形成环状三聚体，不同的是，前者只能形成分子间氢键，后者又能形成分子内氢键。请画出两种三聚体的结构简式A B（RC2H5）（2）在研究分子构造学中，化学式为C53H128N4O4的“构造块”C是引人注目的物质，结构中具有4个吡啶酮，能作为结合位点自缔合成无限的金刚石结构。如果把C中所有基团看作质点，则C能体现很好的对称性。1mol物质C能与8mol Br2发生加成反应。请画出物质C的结构简式；物质C在己烷及甲醇的混合物中同丙酸形成C8RCOOH（RC2H5）。这些晶体的形貌是令人惊奇的。因为在这些条件下不能形成具有金刚石结构的网。请结合可能形成的作用力分析原因。（3）弱方向性力在晶体工程中是最难控制的，但也是超分子化学中重要研究内容。CHN类相互作用在化学及生物体系中有重要的作用，把这类相互作用称为氢键是由于它同强氢键相似，都有大的静电相互作用性质，而且都是长程相互作用力。1，3，5三氰基苯分子依靠这种作用力在晶体中形成六方网络，请画出该结构。34、丙酮在己烷和三氟甲烷中易溶解，其中 中溶解的热效应较大，因为 。35、无水草酸有两种不同晶形：草酸和草酸，草酸是层状结构，草酸是链状，它们都是通过氢键连接而成，画出它们结构。36、最简单最重要的五元杂环化合物呋喃、吡咯和噻吩，分子量分别6808、6709、8414；沸点分别是3136、130、840.16。可以看出，呋喃和吡咯虽然分子量相近，但吡咯的沸点却比呋喃约高99，比分子量大的噻吩约高46。解释原因。NNNNOOCH3CH3CH337、咖啡因对中枢神经有兴奋作用，其结构如图1。常温下，咖啡因在水中的溶解度为2g，加适量水杨酸钠C6H4（OH）COONa,由于形成氢键而增大咖啡因的溶解度。请在图1上添加水杨酸与咖啡因形成的氢键。氢键参考答案1、能溶解在水溶液和醇溶液中。超支化聚芳酰胺B的表面存在大量的氨基，氨基与水分子或乙醇分子间易形成强的氢键，从而增加了超支化聚芳酸胺B在水或乙醇中的溶解性。2、非极性基团芳环的电子可以与水分子形成弱的氢键，从而增加了芳香化合物在水中的溶解度（2分）；芳环的电子还可以与Na，K等阳离子形成较强的非共价键相互作用3、LiFHFLiFHF，HF与F之间形成氢键的能力比较强4、（1） H3NBH3H3NBH3形成氢键 （2）5、形成很多氢键 6、每个水分子平均最多可形成2个氢键，每个HF分子平均最多生成1个氢键。前者氢键数目多，总键能较大，故沸点较高。 7、DNA A： CO(NH2)2（或NCNH2）；B： HNCO 配位键、冠醚和穴状配体、疏水作用（1分，答出1种即可）C： D：E：间苯二甲酸 F：1，3，5苯三甲酸 8、DMF是非质子溶剂。选用非质子溶剂的原因有：A 促进硝基的极化、防止硝基的氧原子与H形成氢键以使氧原子负电荷分散，导致氢键强度不高。B 对于DPU来讲，质子溶剂中的电负性大的原子会与其中的NH键的氢形成氢键，不利于DPU与A、B还原产物形成强氢键。Ar表示芳基，当使用1,2二苯基尿素时用Ph代替Ar。9、后者可以，因为它可以形成分子内氢键使水溶性大大降低。10、 ；在HClO4分子中氢键是广泛存在的，而在HClO4H2O中，由于存在晶格能离子的位置是固定的，所以氢键不是广泛存在的。11、12、13、14、15、 16、17、18、19、20、21、22、羟基与酯中的氧原子以氢键形成六元环。23、 形成平面共扼体系，或大键使体系能量降低 24、对同一种H给体（如乙醇）而言，Lewis碱性越强形成的氢键也越强。因为O上的电子可扩充到Si的空d轨道上，因此与Si结合的O较与C结合的O的Lewis碱性低，因而可以预期乙醚形成的氢键更强些。25、A：H2NNO2, B: HN(NO2)2 ， ADN：NH4N(NO2)2 26、1H2F，NH4 2 H3O(H2O)n，n1，2，3 3H2O-HF，H2O-HCl，H2O-HCN，H2N-HOH。 只有NH3和水的加合物里水是质子给体，因为氧原子的电负性比氮原子大，所以HOH共用电子对偏向氧，使水中的氢变成裸露的质子和氮形成氢键。27、1在CHCl3分子中，3个Cl原子和C原子相连，Cl原子是拉电子体，使和3个Cl相连的C原子（相对而言）正性增强了（和CH4中C原子相比）；在(CH3)2CO分子中，CH3是推电子基团，因此和2个CH3相连的C原子的负性增强了，从而使与之相连的O原子变得更负，这样就有可能发生下列氢键的结合Cl3CHOC(CH3)2。28、