苏教版选修5 专题1第二单元 科学家怎样研究有机物——教材梳理 学案.doc

专题1 认识有机化合物第二单元科学家怎样研究有机物 教材梳理有机物与无机物不仅组成上存在差异，在结构和性质上也有明显的不同。有机化合物的组成和结构特点，决定了大多数有机物与无机物具有不同的性质。人类对有机化合物的研究经历了如下过程：从天然的动植物中提取、分离出一些纯净物研究有机化合物的组成、结构、性质和应用根据需要对有机化合物分子进行设计和合成。知识点一科学家认识有机物的一般步骤 1用重结晶、蒸馏、萃取等方法对天然动植物进行分离、提纯 2对纯净的有机物进行元素分析，确定最简式 3用质谱法测定相对分子质量，确定分子式 4用红外光谱和核磁共振氢谱分析有机物中官能团和各类氢原子的数目，确定结构式。知识点二有机化合物组成的研究研究有机化合物的组成就是分析有机物组成元素的种类，各元素的质量分数，从而得出它的最简式（最简式又称实验式，指有机化合物所含各元素原子个数的最简整数比）。这主要是通过定性和定量实验来完成的。有机化合物所含的主要元素有：c、h、o、n、卤族元素、s、p等。有机化合物组成的测定方法1李比希燃烧法（1）作用：测定有机物分子的最简式。（2）原理：cxhyoznm（）o2xco2h2on2根据上述燃烧反应方程式，要测定有机物的含碳量或含氢量，就要知道该有机物的质量m、生成二氧化碳的质量m1和生成水的质量m2，含碳质量分数可表示为；含氢质量分数可表示为；这就是李比希法确定碳、氢元素质量分数的原理。从实验的角度分析，有机物的质量m可通过称量得到，燃烧产生的水的质量m2可通过浓硫酸的增重(李比希是利用高氯酸镁的增重)得到，生成二氧化碳的质量m1可通过足量的碱石灰增重得到。（3）装置其过程可简单地用下图来描述。2钠融法可定性确定有机物中是否存在氮、氯、溴、硫等元素。将有机样品与金属钠混合熔融，氮、氯、溴、硫等元素将以氰化钠、氯化钠、溴化钠、硫化钠等形式存在，再用无机定性分析法测定。3铜丝燃烧法可定性确定有机物中是否存在卤素。将一根纯铜丝加热至红热，蘸上试样，放在火焰上灼烧，如存在卤素，火焰为绿色。4现在，人们常借助元素分析仪来确定有机化合物的组成。元素分析仪的工作原理是在不断通入氧气流的条件下，把样品加热到9501200，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，分析元素含量时所需样品量小，分析速度快，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。元素分析仪可与计算机连接，进行数据的存储和处理。知识点三有机化合物结构的研究1有机化合物在对其提纯以后，首要的问题就是要测定其结构，这对其性质的研究和应用都至关重要。天然有机物的人工合成要基于对结构的准确测定，对已经合成出来的有机物通过结构的测定，可以确定它是否就是我们所要设计合成的目标产物。2有机物结构测定的方法都是依据它们具有的物理性质和化学性质来进行的。测定有机化合物结构主要是确定其分子式，以及检测分子中所含的官能团及其在碳骨架上的位置。（1）在有机化合物分子中，原子主要通过共价键结合在一起。分子中的原子之间可能存在多种结合方式或连接顺序，原子之间结合方式或连接顺序的不同导致了所形成物质在性质上的差异，有时结构上的细微变化会导致性质的巨大差别。（2）确定有机物的相对分子质量的目的是为了进一步地确定有机物的分子式。（3）借助现代光谱手段来测定有机物的结构，主要是确定碳骨架和官能团的种类以及官能团在碳骨架上所在的具体位置。现代化学常用的测定有机化合物结构的分析方法：核磁共振、红外光谱、质谱和紫外光谱等。在核磁共振分析中，最常见的是对有机化合物的1h核磁共振谱进行分析。有机物分子中的氢原子核，所处的化学环境（即其附近的基团）不同，表现出的核磁性就不同，代表核磁性特征的峰在核磁共振谱图中横坐标的位置（化学位移，符号为）也就不同。有机化合物的核磁共振谱反映了有机化合物结构的重要信息，如：分子式为c2h6o的有机物有甲醚（ch3och3）和乙醇（ch3ch2oh）两种情况，1h核磁共振谱图如下图所示： 由甲图的核磁共振谱分析：该有机物只有一种化学环境的h，所以应为甲醚的核磁共振谱图。由乙图的核磁共振谱分析：该有机物有三种氢原子核磁性的特征峰（即有三种不同化学环境的h原子），且h原子个数之比为321（等于其峰的强度比），所以该核磁共振谱代表的是乙醇。红外光谱：在有机物分子中，组成化学键或官能团的原子处于不断振动的状态，不同官能团的特征吸收频率不同，当用红外光线照射有机物分子时，分子中不同的化学键或官能团可发生振动吸收，并在红外光谱图上反映出来，据此可以判断有机物分子中含有哪种化学键或官能团。如乙醇的红外光谱图如下：从乙醇的红外光谱图上发现有ch键，co键和oh键的振动吸收，因此测得乙醇是含有羟基的化合物，其结构简式为ch3ch2oh。质谱法：是用高能电子束轰击有机物分子，使之分裂成带电的“碎片”，并根据“碎片”的某些特征谱分析有机物结构的方法。（4）测定有机物的组成和结构的流程图知识点四有机化学反应的研究1有机化学反应一般比较复杂，反应速率较慢，且副反应较多。所以我们要对有机反应进行分类研究，特别是要研究有机化学反应进行需要什么条件、受哪些因素的影响、反应机理如何等等。2设计并合成新的有机化合物是有机化学的重要研究内容。通过有机化学反应，科学家们已经成功合成大量具有特殊功能的有机化合物。3反应机理又称反应历程，是指从反应物转变为生成物所经历的过程。（1）甲烷的光氯代反应是一种在气相进行的自由基反应。自由基反应通常具有链反应（也叫做连锁反应）的历程。这种反应历程一般要经过链引发（即产生活性中间体自由基）、链增长（自由基向反应物进攻，并生成新的自由基）和链终止（活性中间体丧失活性）等阶段。甲烷的光氯代反应历程可表示如下：链引发：cl22cl链增长：ch4clch3hcl；ch3cl2ch3clcl；依次重复链增长反应，直至链终止。链终止：2clcl2，2ch3ch3ch3，clch3ch3cl在链的引发阶段，由于clcl键键能（239.8kjmol-1）比ch键键能（435.2kjmol-1）小，在光照或加热的情况下，clcl键较易均裂而成为自由基。（2）同位素示踪法：能确定化学键断裂的部位以及新生成的化学键的连接位置。同位素示踪法是科学家经常使用的研究化学反应历程的手段之一。ch3cooch2ch3hoch3co18ohch3ch2oh通过对产物的同位素分析可以得出乙酸乙酯在水解反应中化学键断裂的位置（虚线的位置）：4美国化学家科里（e.j.corey）多年来致力于有机合成方法的研究，创立了有机化合物合成的“逆合成分析理论”。逆合成分析法是在设计复杂化合物的合成路线时常用的方法。它是将目标化合物倒退一步寻找上一步反应的中间体，而这个中间体又可以由上一步的中间体得到，依次类推，最后确定适宜的基础原料和最终的合成路线（如下图所示）：逆合成分析法示意图5手性分子和不对称合成（1）手性分子：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。两种分子如同一个人的左右手，其中一只手只有在镜像中才能与另一只手完全重叠。我们把这两种分子称为对映异构体。这些物质具有旋光性。如乳酸（ch3chohcooh）有如下两种对映异构体：（2）构成手性分子的必要条件：在有机物分子结构中至少存在一个碳原子，与其相连接的四个原子或原子基团不同，该碳原子叫手性碳原子。如（丙氨酸）分子中有1个碳原子分别连有4个不同的原子或原子团（h、ch3、nh2、cooh）。（3）不对称合成：是指能有效地合成所需要的对映异构体。美国科学家夏普雷斯（k. b. sharpless）、日本科学家野依良治（ryojinoyori）和美国科学家诺尔斯（w. s. knowles）实现了对映异构体的不对称合成，才使合成得到的有机化合物几乎是所需要的对映异构体。不对称合成方法的发现，改变了自有机合成出现以来合成手性分子的方法，促进了化学学科的发展。教材（课本第1