高中化學第二單元 科學家怎樣研究有機物（3課時）蘇教版選修5有機化合物結構的研究

第二單元第二單元 科學家怎樣研究有機物科學家怎樣研究有機物江蘇省宿遷中學高一化學組江蘇省宿遷中學高一化學組20222022年年1 1月月2525日星期二日星期二有機化合物結構的研究有機化合物結構的研究有機化合物有機化合物組成組成的研究的研究元素分析元素分析（一）原理：燃燒法（一）原理：燃燒法1、實驗法、實驗法 -李比希元素分析法李比希元素分析法 P62、元素分析儀、元素分析儀-元素分析儀元素分析儀P7（二）作用：（二）作用： 得出組成元素和含量得出組成元素和含量（三）計算：（三）計算： 確定最簡式或分子式確定最簡式或分子式回顧回顧確定有機物結構簡式的一般步驟確定有機物結構簡式的一般步驟組成元素組成元素分子式分子式結構式結構式定量定量定量定量有機物有機物 基團基團連接方式連接方式德國化學家李比希（德國化學家李比希（1803180318731873） 1832 1832年和維勒合作提出年和維勒合作提出“基團論基團論”：有機化合物由：有機化合物由“基基”組成，這類穩(wěn)定的組成，這類穩(wěn)定的“基基”是有機化合物的基礎。是有機化合物的基礎。 18381838年李比希還提出了年李比希還提出了“基基”的定義的定義 有機化合物有機化合物結構結構的研究的研究結構分析結構分析閱讀：課本閱讀：課本7 7 8 8頁頁化學史話化學史話 思考思考李比希對李比希對有機化合物結構的研究有什么貢獻？有機化合物結構的研究有什么貢獻？例題：例題：有機化合物中不含有有機化合物中不含有的基團是的基團是 ( )( )A.A.醛基醛基 B.B.羧基羧基 C.C.羥基羥基 D.D.烴基烴基HCOH OD D羥基、醛基、羧基、羥基、醛基、羧基、2氨基、烴基、氨基、烴基、 3甲基、甲基、23乙基、乙基、65苯基、苯基、2硝基等硝基等“基基”與與“根根”的區(qū)的區(qū)別別1、基團應是中性基團，不帶電荷，必有某原、基團應是中性基團，不帶電荷，必有某原子含有未成對電子，不可以獨立存在。子含有未成對電子，不可以獨立存在。 2、“根根”帶有電荷的原子團，可以在溶液中獨立存在。帶有電荷的原子團，可以在溶液中獨立存在。 練習：練習： OH，OH 的電子式。的電子式。 有機物中的有機物中的“基基”包括兩類，一類是包括兩類，一類是烴基烴基，另一類，另一類是是官能團官能團。烴分子失去一個或幾個氫原子所剩余的部。烴分子失去一個或幾個氫原子所剩余的部分叫做烴基（如甲基、乙基），一般用分叫做烴基（如甲基、乙基），一般用 R 表示，表示，官能團決定著有機化合物的主要化學性質，是有機官能團決定著有機化合物的主要化學性質，是有機化學重要的分類依據化學重要的分類依據。 核磁共振氫譜核磁共振氫譜氫原子種類不同（所處的化氫原子種類不同（所處的化學環(huán)境不同）學環(huán)境不同）特征峰也不同特征峰也不同紅外光譜紅外光譜作用：獲得分子中含有何種化學鍵或官能作用：獲得分子中含有何種化學鍵或官能團的信息團的信息作用：測定有機物分子中作用：測定有機物分子中等效氫原子等效氫原子的類的類型和數目型和數目 二、現代化學測定有機物結構的方法二、現代化學測定有機物結構的方法質譜法等質譜法等核磁共振儀核磁共振儀 1、核磁共振儀的應用原理、核磁共振儀的應用原理 核磁共振中的核指的是氫原子核。氫原子核磁共振中的核指的是氫原子核。氫原子核具有磁性，如用電磁波照射氫原子核，它能核具有磁性，如用電磁波照射氫原子核，它能通過共振吸收電磁波能量，發(fā)生躍遷。用核磁通過共振吸收電磁波能量，發(fā)生躍遷。用核磁共振儀可以記錄到有關信號，共振儀可以記錄到有關信號，處于不同化學環(huán)處于不同化學環(huán)境中的氫原子境中的氫原子因產生因產生共振時吸收的頻率不同共振時吸收的頻率不同，在譜圖上出現的在譜圖上出現的位置也不同位置也不同。且吸收且吸收峰的面積與氫峰的面積與氫原子數成正比原子數成正比?？梢酝浦撚袡C物分子?？梢酝浦撚袡C物分子有幾種不同類有幾種不同類型的氫原子及它們的數目多少型的氫原子及它們的數目多少。、結構分析、結構分析核磁共振法核磁共振法（HNMR）作用：測定有機物中作用：測定有機物中H 原子的原子的種類種類信信號號個個數數信號強度信號強度之比之比峰峰面面積積和和數目數目P8觀察與思考觀察與思考分子式為分子式為C2H6o的兩種有機化合物的的兩種有機化合物的1H核磁共振譜核磁共振譜圖，你能分辨出哪一幅是乙醇的圖，你能分辨出哪一幅是乙醇的1H-NMR譜圖嗎譜圖嗎?請請與同學交流你作出判斷的理由。與同學交流你作出判斷的理由。 分子式為分子式為C2H6O的兩種有機物的的兩種有機物的1H核磁共振譜圖核磁共振譜圖 核磁共振氫譜核磁共振氫譜例例1、下圖是某有機物的、下圖是某有機物的1H核磁共振譜圖，則核磁共振譜圖，則該有機物可能是該有機物可能是 ( )A. CH3CH2OH B. CH3CH2CH2OH C. CH3OCH3 D. CH3CHOC課本課本P14.5練習練習. .下列有機物在下列有機物在H-NMRH-NMR上只給出一組峰的是上只給出一組峰的是 ( )( ) A A、HCHO BHCHO B、CHCH3 3OH OH C C、HCOOH DHCOOH D、CHCH3 3COOCHCOOCH3 3A問題探究：問題探究：下列有機物中有幾種下列有機物中有幾種H H原子以原子以及個數之比？及個數之比？種；：種；：種種種；：種；：種；：種；：CHCH3 3-CH-CH-CH-CH3 3CHCH3 3CHCH3 3-C-CH-C-CH3 3CHCH3 3CHCH3 3CHCH3 3-CH-CH2 2-CH-CH-CH-CH3 3CHCH3 3CHCH3 3-CH-CH2 2-OH-OH2、紅外光譜的應用原理、紅外光譜的應用原理 當用紅外線照射有機物時，分子中的化當用紅外線照射有機物時，分子中的化學健或官能團可發(fā)生振動吸收，不同的化學鍵學健或官能團可發(fā)生振動吸收，不同的化學鍵或官能團吸收頻率不同，在紅外光譜圖上將處或官能團吸收頻率不同，在紅外光譜圖上將處于不同位置，從而可以獲得分子中含有何種化于不同位置，從而可以獲得分子中含有何種化學鍵或官能團的信息。學鍵或官能團的信息。紅外光譜儀紅外光譜儀例例1下圖是一種分子式為下圖是一種分子式為C4H8O2的有機物的紅外光譜譜圖的有機物的紅外光譜譜圖,則則該有機物的結構簡式為：該有機物的結構簡式為：COCC=O不對稱不對稱CH3CH3CH2COOCH3或或CH3COOCH2CH3練習練習1有一有機物的相對分子質量為有一有機物的相對分子質量為74，確定分子結構，請，確定分子結構，請寫出該分子的結構簡式寫出該分子的結構簡式 COC對稱對稱CH3對稱對稱CH2CH3CH2OCH2CH3測定相對分子質量的方法很多，測定相對分子質量的方法很多， 質譜法質譜法是最精確、最快捷的方法。是最精確、最快捷的方法。3、相對分子質量的確定、相對分子質量的確定質譜法質譜法有機物有機物分子分子高能電子束轟擊高能電子束轟擊 帶電的帶電的 ”碎片碎片”確定確定結構結構碎片的碎片的質荷比質荷比荷質比：碎片的相對質量（荷質比：碎片的相對質量（m）和所帶電荷（）和所帶電荷（e）的比值）的比值質譜儀質譜儀100806040200203040502729314546CH3CH2+CH2=OH+CH3CH=OH+CH3CH2OH+質荷比質荷比相對豐度相對豐度/%某有機物某有機物A A的質譜圖的質譜圖: :乙醇的質譜圖乙醇的質譜圖最大分子離子的最大分子離子的質荷比越大質荷比越大，達到檢測器，達到檢測器需要的時間越長需要的時間越長，因此譜，因此譜圖中的質荷比最大的就是未知物的相對分子質量。圖中的質荷比最大的就是未知物的相對分子質量。例例2002年諾貝爾化學獎獲得者的貢獻之一是發(fā)明年諾貝爾化學獎獲得者的貢獻之一是發(fā)明了對有機物分子進行結構分析的質譜法。其方法是了對有機物分子進行結構分析的質譜法。其方法是讓極少量的（讓極少量的（109g）化合物通過質譜儀的離子化室）化合物通過質譜儀的離子化室使樣品分子大量離子化，少量分子碎裂成更小的離使樣品分子大量離子化，少量分子碎裂成更小的離子。如子。如C2H6離子化后可得到離子化后可得到C2H6、C2H5、C2H4，然后測定其質荷比。設，然后測定其質荷比。設H的質荷比為的質荷比為，某，某有機物樣品的質荷比如右圖所示（假設離子均帶一有機物樣品的質荷比如右圖所示（假設離子均帶一個單位正電荷，信號強度與該離子的多少有關），個單位正電荷，信號強度與該離子的多少有關），則該有機物可能是（則該有機物可能是（ ）A 甲醇甲醇 B 甲烷甲烷 C 丙烷丙烷 D 乙烯乙烯B諾貝爾化學獎諾貝爾化學獎與物質結構分析與物質結構分析(2002(2002年年) )引入了核磁共振光譜學觀察到了引入了核磁共振光譜學觀察到了DNADNA、蛋白、蛋白質等大分子的真面目。質等大分子的真面目。 美國美國 芬恩芬恩日本日本田中耕一田中耕一瑞士瑞士 維特里希維特里希 拓展視野拓展視野 歷史上許多科學家因在物質結構分析方面的突出貢獻而獲得諾貝爾化歷史上許多科學家因在物質結構分析方面的突出貢獻而獲得諾貝爾化學獎。學獎。2002年諾貝爾化學獎授予了美國科學家芬恩年諾貝爾化學獎授予了美國科學家芬恩(JBFenn)、日本科、日本科學家田中耕一學家田中耕一(Koichi Tanaka)和瑞士科學家維特里希和瑞士科學家維特里希(KWuthrich)，以，以表彰他們發(fā)明對生物大分子進行識別和結構分析方法所作出的巨大成就。表彰他們發(fā)明對生物大分子進行識別和結構分析方法所作出的巨大成就。 “看清看清”DNA、蛋白質等生物大分子的真面目曾經是科學家們的夢想，、蛋白質等生物大分子的真面目曾經是科學家們的夢想，如今這一夢想已成為現實。芬恩和田中耕一發(fā)明了如今這一夢想已成為現實。芬恩和田中耕一發(fā)明了“對生物大分子的質譜對生物大分子的質譜分析法分析法”；維特里希發(fā)明了；維特里希發(fā)明了“利用核磁共振技術測定溶液中生物大分子三利用核磁共振技術測定溶液中生物大分子三維結構的方法維結構的方法”。前一項成果解決了。前一項成果解決了“看清看清”生物大分子是生物大分子是“誰誰”的問題，的問題，后一項成果則解決了后一項成果則解決了“看清看清”生物大分子是生物大分子是“什么樣子什么樣子”的問題。這些分的問題。這些分析方法可對溶液中的蛋白質進行分析，因而能對活細胞中的蛋白質進行分析方法可對溶液中的蛋白質進行分析，因而能對活細胞中的蛋白質進行分析，獲得析，獲得“活活”蛋白質的結構。蛋白質的結構。1985年，科學家利用這種方法第一次繪制年，科學家利用這種方法第一次繪制出蛋白質的結構圖。出蛋白質的結構圖。 自人類基因組圖、水稻基因組草圖以及其他一些生物基因組圖成功繪制自人類基因組圖、水稻基因組草圖以及其他一些生物基因組圖成功繪制后，生命科學和生物技術已進入后基因組時代。這一時代的重點課題是研后，生命科學和生物技術已進入后基因組時代。這一時代的重點課題是研究蛋白質的結構和功能，破譯基因怎樣控制和合成蛋白質，蛋白質又是如究蛋白質的結構和功能，破譯基因怎樣控制和合成蛋白質，蛋白質又是如何發(fā)揮生理作用等。在這些課題中，判定生物大分子的何發(fā)揮生理作用等。在這些課題中，判定生物大分子的“身份身份”，“看清看清”它們的結構非常重要。因此，三位諾貝爾化學獎得主發(fā)明的分析方法，對它們的結構非常重要。因此，三位諾貝爾化學獎得主發(fā)明的分析方法，對生物化學的發(fā)展將發(fā)揮重要作用。生物化學的發(fā)展將發(fā)揮重要作用。 在化學物質的在化學物質的“海洋海洋中，是否存在分子組成和中，是否存在分子組成和原子連接方式完全相同的兩種分子，由于分子中的原原子連接方式完全相同的兩種分子，由于分子中的原子在空間排列子在空間排列 不同，而互為同分異構體不同，而互為同分異構體?思考：思考：順反異構順反異構CCHH3CCH3HCCHH3CHCH3認識有機物的立體異構認識有機物的立體異構手性分子手性分子手性分子的兩手性分子的兩種異構體呈鏡種異構體呈鏡像對稱，像人像對稱，像人的左右手一樣的左右手一樣HHCCH3HOCOOHHCCH3OHHOOCH對映異構對映異構認識有機物的立體異構認識有機物的立體異構分子不能與其鏡像重疊者，稱為分子不能與其鏡像重疊者，稱為手性分子手性分子(chiralmolecule)；兩個互為鏡像且不能重疊的異構體稱為兩個互為鏡像且不能重疊的異構體稱為對映異構體對映異構體(enantiomer)； 是否存在兩種分子，它們猶如一個人的左右手，其中一只手是否存在兩種分子，它們猶如一個人的左右手，其中一只手只有在鏡像中才能與另一只手完全重疊只有在鏡像中才能與另一只手完全重疊?手性分子丙氨酸的結構模型手性分子丙氨酸的結構模型 丙氨酸分子丙氨酸分子CHCH3 3-CH-COOH-CH-COOHCHCH3 3手性碳原子甘油醛存在甘油醛存在1個手個手性碳原子，有兩性碳原子，有兩種種D型和型和L型對映型對映異構體，它們的異構體，它們的旋光性恰好相反。旋光性恰好相反。 己醛糖有己醛糖有4 4個手性碳原子，有個手性碳原子，有1616種對映異構體，常見的葡萄糖溶液中種對映異構體，常見的葡萄糖溶液中絕大多數葡萄糖分子形成兩種環(huán)狀的旋光異構體。絕大多數葡萄糖分子形成兩種環(huán)狀的旋光異構體。 兩種分子式相同的有機分子，其空間兩種分子式相同的有機分子，其空間結構互為鏡像，且不能完全重疊，即成為結構互為鏡像，且不能完全重疊，即成為對映異構體。這種分子稱為手性分子。手對映異構體。這種分子稱為手性分子。手性分子有旋光性。手性分子中具有與性分子有旋光性。手性分子中具有與4 4個不個不同原子（或原子團）相連接的碳原子（手同原子（或原子團）相連接的碳原子（手性碳原子）。性碳原子）。L -丙氨酸 D-丙氨酸圖1-14手性分子丙氨酸的結構模型 L- L-丙氨酸、丙氨酸、D-D-丙氨酸丙氨酸 除甘氨酸外，除甘氨酸外，氨基酸都是手性分子，構成天然蛋白質氨基酸都是手性分子，構成天然蛋白質的的氨基酸都是氨基酸都是L L型。型。L-L-丙氨酸可使偏振光向右旋轉，丙氨酸可使偏振光向右旋轉，D-D-丙氨酸丙氨酸則可使偏振光向左旋轉。鏡像，不僅僅是則可使偏振光向左旋轉。鏡像，不僅僅是你熟悉的一個生活現象。你熟悉的一個生活現象。 用于測手性化合物旋光性的偏振計及其原理用于測手性化合物旋光性的偏振計及其原理 例題例題具有手性碳原子的物質往往具有旋光具有手性碳原子的物質往往具有旋光性，存在對映異構體，如性，存在對映異構體，如 等，下列化合物中存在對等，下列化合物中存在對映異構體的是映異構體的是 ( )A B CH3CH3C甲烷甲烷 DC6H5CH(CH3)OCH3D具有手性碳原子的物質往往具有旋光具有手性碳原子的物質往往具有旋光性，存在對映異構體，下列化合物中存性，存在對映異構體，下列化合物中存在對映異構體的是在對映異構體的是 ( )( )ACH3CHCH2CH3 B CH3CH3C甲烷甲烷 DCH3COOHA A練習：練習：Cl1、某有機物中含碳的質量分數為、某有機物中含碳的質量分數為64.86%，氫的質量分數，氫的質量分數為為13.5%，該有機物的實驗式是，該有機物的實驗式是 ，結合該有機，結合該有機物的質譜圖該有機物的相對分子質量為：物的質譜圖該有機物的相對分子質量為： 分子分子式為：式為： 。 74C4H10OC4H10O練習：練習： 2、化合物、化合物A、B的分子式都的分子式都C2H4Br2。A的的1HNMR譜上只譜上只有一個峰，則有一個峰，則A的結構簡式的結構簡式為為 。B的的1HNMR譜上有譜上有 個峰，強度比個峰，強度比為為 。 BrCH2CH2Br23:1 3、分子式為、分子式為C3H6O2的有機物，若在的有機物，若在1H-NMR譜上觀察到氫原子峰的強度譜上觀察到氫原子峰的強度為為3:3，則結構簡式可能為，則結構簡式可能為_ , 若給若給出峰的強度為出峰的強度為3:2:1，則可能為，則可能為_CH3COOCH3 ；CH3CH2COOH、HCOOCH2CH34. 分子式為分子式為C3H6O2的二元混合物，如果在核的二元混合物，如果在核磁共振氫譜上觀察到氫原子給出的峰有兩種情磁共振氫譜上觀察到氫原子給出的峰有兩種情況。第一種情況峰給出的強度為況。第一種情況峰給出的強度為11；第二種；第二種情況峰給出的強度為情況峰給出的強度為321。由此推斷混合。由此推斷混合物的組成可能是（寫結構簡式）物的組成可能是（寫結構簡式） 。C3H6O2可能的結構為可能的結構為CH3CH2COOH CH3COOCH3 HCOOCH2CH3氫譜峰值類型氫譜峰值類型3:2:11:11:2:3或5 5、分子式為、分子式為C C3 3H H6 6O O2 2的二元混合物，若在的二元混合物，若在1 1H-NMRH-NMR譜上觀察到氫原子峰的有兩種情況譜上觀察到氫原子峰的有兩種情況, ,一種情況的一種情況的強度為強度為3:33:3，另一種情況給出峰的強度為，另一種情況給出峰的強度為3:2:1,3:2:1,由此推斷混合物的組成可能是由此推斷混合物的組成可能是( (結構簡式結構簡式) )a、CH3COOCH3與與CH3CH2COOH、與與HCOOCH2CH3與與CH3COCH2OHb、CH3COOCH3c、CH3COOCH36 6、某有機物由、某有機物由C C、H H、O O三種元素組成，它的紅外吸三種元素組成，它的紅外吸收光譜表明有羥基收光譜表明有羥基O OH H鍵和烴基上鍵和烴基上 C CH H鍵的紅外鍵的紅外吸收峰，且烴基與羥基上氫原子個數比為吸收峰，且烴基與羥基上氫原子個數比為2 21 1 ，它們的相對分子質量為它們的相對分子質量為6262，試寫出該有機物的結構，試寫出該有機物的結構簡式。簡式。 HOCHHOCH2 2CHCH2 2OH OH