化学选择性必修3第2节 有机化合物结构的测定导学案

第2节　有机化合物结构的测定

必备知识·素养奠基

一、有机化合物分子式的确定

1.有机化合物元素组成的确定:

(1)碳、氢元素质量分数的测定——燃烧分析法。

样品CO2增重C的质

量分数

H2O增重H的质

量分数

(2)氮元素质量分数的测定。

样品N2N2的体积N的质

量分数

(3)卤素质量分数的测定。

样品AgXX的质

量分数

(4)氧元素质量分数的计算。

氧元素的

质量分数100%-其他元素质量分数之和

2.有机化合物相对分子质量的确定:

(1)通过实验,根据实验数据求算相对分子质量。

(2)有机物相对分子质量一般用质谱法进行测定。

(1)只根据有机化合物完全燃烧生成CO2和H2O,不能确定该有机物一定为烃。 (　　)

提示:√。含碳、氢、氧三种元素的有机物燃烧也生成CO2和H2O。

(2)有机化合物分子式一定不与其最简式相同。 (　　)

提示:×。有些有机化合物的分子式与其最简式相同,如甲烷CH4、甲醛CH2O、甲酸CH2O2等。

(3)燃烧0.1 mol某有机化合物得到0.2 mol CO2和0.3 mol H2O不能由此确定有机化合物的分子式。 (　　)

提示:√。仅凭此条件只能确定每个有机物分子中C、H原子个数,无法确定是否含有O原子。

二、有机化合物结构式的确定

1.确定有机化合物结构式的流程

2.有机化合物分子不饱和度的计算

(1)计算公式

①公式:分子的不饱和度=n(C)+1-。

②说明:在计算不饱和度时,若有机化合物分子中含有卤素原子,可将其视为氢原子;若含有氧、硫原子,则不予考虑;若含有氮原子,就在氢原子总数中减去氮原子数。

(2)常见官能团的不饱和度

3.确定有机化合物的官能团:

(1)实验方法。

常见官能团的实验推断方法:

(2)物理方法:通过紫外光谱(UV)、红外光谱(IR)及核磁共振谱(NMR)等,能快速准确地确定有机化合物分子的结构。

4.实例——医用胶单体的结构确定:

(1)确定分子式。

①通过测定各元素的含量确定其实验式为C8H11NO2。

②由质谱分析法测定出该样品的相对分子质量为153.0,则确定其分子式为C8H11NO2。

(2)推导结构式。

①计算该样品分子的不饱和度,推测分子中是否含有苯环、碳碳双键、碳碳三键或碳氧双键,Ω=n(C)+1-=8+1-=4。

②用化学方法推测样品分子中的官能团。

a.加入溴的四氯化碳溶液,橙红色溶液褪色,说明可能存在或—C≡C—。

b.加入(NH4)2Fe(SO4)2溶液,H2SO4及KOH的甲醇溶液无明显变化,说明无—NO2。

c.加入NaOH溶液并加热,有氨气放出,说明有—CN。

③波谱分析——据此推测样品中的官能团在碳链上的位置

a.红外光谱图:有机物中存在—CN、、、

b.核磁共振氢谱:有机物中有5种H,且个数比为1∶1∶2∶1∶6;该有机物中有、

④确定有机物的结构简式为。

中国是世界上第一大农药产品生产国,使用面积也居世界前列。但是农药的使用造成的问题也不断暴露,首先是消费者对农药毒性、农药残留的关注度越来越高,即对食品安全的担忧;其次是对农药造成环境污染的关注度越来越高,即对环境安全的担忧。绿色农药——信息素的推广使用,对环保有重要意义。有一种信息素的结构简式为CH3(CH2)5CHCH(CH2)9CHO。

(1)信息素中有哪些官能团?

提示:根据其结构简式可知,信息素中含有两种官能团,分别是碳碳双键和醛基。

(2)如何用实验方法检验上述两种官能团?

提示:先利用新制氢氧化铜或者银氨溶液检验醛基,然后酸化后再加入溴水或高锰酸钾来检验碳碳双键。

关键能力·素养形成

知识点一　有机化合物分子式的确定方法

1.直接法:

(1)由题意求算出1 mol 有机化合物中各元素原子的物质的量,从而确定各原子的个数,即可推出分子式。

(2)利用相对分子质量及各元素质量分数直接求算出1分子有机物中各元素的原子个数,从而确定分子式。例如:

N(C)=,N(H)=,N(O)=。

2.实验式法:先利用有机物中各元素的质量分数求出有机物的最简式,再结合有机物的相对分子质量求得分子式。例如:

N(C)∶N(H)∶N(O)=∶∶=a∶b∶c(最简整数比),则最简式为CaHbOc,分子式为(CaHbOc)n,n=。

3.通式法:

4.商余法:用烃(CxHy)的相对分子质量除以14,看商数和余数。

(1)=n……2,该烃分子式为CnH2n+2。

(2)=n……0,该烃分子式为CnH2n。

(3)=(n-1)……12,该烃分子式为CnH2n-2。

(4)=(n-1)……8,该烃分子式为CnH2n-6。

(Mr:相对分子质量　n:分子式中碳原子的数目)

5.化学方程式法:利用有机反应中反应物、生成物之间“量”的关系求分子式的方法。

利用燃烧反应的化学方程式,由题给条件并依据下列燃烧通式所得CO2和H2O的量求解x、y、z。

CxHy+(x+)O2xCO2+H2O、

CxHyOz+(x+-)O2xCO2+H2O。

6.平均值法:当几种烃混合时,往往能求出其平均分子式。把混合物当成一种烃分子计算时,可以得出平均摩尔质量,进而求出平均分子式。若平均摩尔质量为,两种成分的摩尔质量分别为M1、M2,且M1<M2,则一定有M1<< M2。平均分子式中C、H个数介于两种成分之间,故可确定烃的范围。

【规律方法】实验式的特殊应用

(1)一般方法:必须已知化合物的相对分子质量[Mr(A)],根据实验式的相对式量[Mr(实)],可求得分子式中含实验式的个数n,n=[Mr(A)]/[Mr(实)],即得分子式。

(2)特殊方法Ⅰ:某些特殊组成的实验式,在不知化合物相对分子质量时,也可根据组成特点确定其分子式。实验式为(CH3O)n的有机化合物,当n=2时,氢原子数达到饱和,则其分子式为C2H6O2。

(3)特殊方法Ⅱ:部分有机化合物的实验式中,氢原子数已达到饱和,则该有机化合物的实验式即为其分子式,如实验式为CH4、CH3Cl、C2H6O、C4H10O等有机化合物,其实验式即为分子式。

【思考·讨论】

(1)某气态有机物X含C、H、O三种元素,已知下列条件,现欲确定X的分子式,所需的最少条件是什么?

①X中含碳质量分数　②X中含氢质量分数　③X在标准状况下的体积　④质谱法确定X的相对分子质量　⑤X的质量

提示:①②④。由C、H质量分数可推出O的质量分数,由各元素的质量分数可确定X的实验式,由相对分子质量和实验式即可确定X的分子式。

(2)2.3 g某有机物完全燃烧后生成4.4 g二氧化碳和2.7 g水,该有机物的组成元素有哪些?

提示:该有机物中含C:×12 g·mol-1=1.2 g,

含H:×2×1 g·mol-1=0.3 g。

因2.3 g>(1.2 g+0.3 g),故该有机物中还含有氧元素。因此,该有机物是由C、H、O三种元素组成的。

【典例】(2020·菏泽高二检测)有机化合物A的相对分子质量大于110,小于150。经分析得知,其中碳和氢的质量分数之和为52.24%,其余为氧。请回答:

(1)该化合物分子中含有____________个氧原子。 

(2)该化合物的摩尔质量是________________。 

(3)化合物分子式为________________。 

【思路点拨】解答本题时要注意以下几点:

(1)先由有机物A的相对分子质量的范围确定分子中氧原子的数目。

(2)由氧元素的质量分数及氧原子的个数确定有机物A的相对分子质量。

【解析】 A中O的质量分数为1-52.24%=47.76%。若A的相对分子质量为150,其中O原子个数为=4.477 5;若A的相对分子质量为110,其中O原子个数为=3.283 5。实际O原子个数介于3.283 5和4.477 5之间,即O原子个数为4。A的相对分子质量为=134。则A的摩尔质量为134 g·mol-1。其中C、H的相对原子质量之和为134-16×4=70,利用商余法可得:=5……10可确定有机物A的分子式为C5H10O4。

答案:(1)4　(2)134 g·mol-1　(3)C5H10O4

【母题追问】(1)该化合物分子中最多含几个官能团?

提示:有机物A的分子式为C5H10O4,故A分子的不饱和度为5+1-=1,所以化合物A分子中最多含1个官能团。

(2)若有机物A可产生银镜反应,结构中无支链,且有一个甲基,试写出符合上述条件的有机物A的一种同分异构体的结构简式。

提示:由于有机物A能发生银镜反应,且无支链,故A中含有一个醛基,由于A的不饱和度为1,故其他三个氧原子为羟基的形式,再结合A中含有1个甲基,故A的一种同分异构体的结构简式为

【迁移·应用】

1.3.1 g某有机样品完全燃烧,燃烧后的气体混合物通入过量的澄清石灰水中,石灰水共增重7.1 g,然后过滤得到10 g 沉淀。该有机样品可能是              (　　)

A.乙二酸　　　　　　　　　　 B.乙醇

C.乙醛        D.甲醇和丙三醇的混合物

【解析】选D。3.1 g有机样品燃烧生成CO2、H2O的总质量为7.1 g,与过量Ca(OH)2反应生成10 g CaCO3,则其中CO2为0.1 mol,即n(C)=0.1 mol,m(C)=0.1 mol×12 g·mol-1=1.2 g,故m(H2O)=7.1 g-0.1 mol×44 g·mol-1=2.7 g,即n(H2O)=0.15 mol,n(H)=0.3 mol,m(H)=0.3 g,故该有机样品中氧的质量:m(O)=3.1 g-1.2 g-0.3 g=1.6 g,即n(O)=0.1 mol,则该有机样品中n(C)∶n(H)∶n(O)=0.1 mol∶0.3 mol∶0.1 mol=1∶3∶1,即最简式为CH3O,设其分子式为(CH3O)n。选项A、B、C不符合,选项D中当甲醇和丙三醇按物质的量之比为1∶1混合时符合。

2.某烃的衍生物分子中含C、H、O,若将其分子式写成(CH2)m(CO2)n(H2O)p,当它完全燃烧时,生成的CO2与消耗的O2在同温同压下体积之比为1∶1,则m、n的比为              (　　)

A.1∶1 　　　B.2∶3　　　C.1∶2 　　　D.2∶1

【解析】选D。生成CO2为(m+n),消耗O2为,由题意知=1∶1,m=2n,故选D。

【补偿训练】

某混合气体由两种气态烃组成,2.24 L该混合气体完全燃烧后,得到4.48 L二氧化碳(气体已折算为标准状况)和3.6 g水,则这两种气体可能是              (　　)

A.CH4和C3H8　　　　　　　  B.CH4和C3H4

C.C2H4和C3H4　　　     D.C2H4和C2H6

【解析】选B。n(C)==0.2 mol,

n(H)=×2=0.4 mol,

n(混合物)∶n(C)∶n(H)=1∶2∶4。

所以该混合气体的平均分子式为C2H4。

符合题意的组合只有B选项。

四乙基铅作为添加剂一度广泛在汽油中使用,以防止发动机内发生爆震,借以提高汽车发动机效率和功率。但同时四乙基铅也是大气铅污染的重要来源。现在有一种含氧有机化合物可以作为无铅汽油的抗爆震剂,经测定该物质含C的质量分数为0.682,含H的质量分数为0.136,其余为O。

(1)试确定该化合物的实验式。

提示:(实验式法)该化合物中

w(O)=1.000-0.682-0.136=0.182

N(C)∶N(H)∶N(O)=∶∶≈5∶12∶1

该化合物的实验式为C5H12O。

 (2)能否根据实验式确定该物质的分子式?

提示:能。该物质中氢原子数已达到最多,故其实验式即分子式。

知识点二　有机化合物结构式的确定方法

1.确定有机化合物结构式的基本思路:

2.确定有机化合物结构式的常用方法:

(1)根据价键规律确定:某些有机物根据价键规律只存在一种结构,则可直接根据分子式确定其结构式。例如:C2H6,只能是CH3CH3。

(2)通过定性实验确定官能团的种类:实验→有机物表现的性质及相关结论→官能团→确定结构式。

例如:能使溴的四氯化碳溶液褪色的有机物分子中可能含有或—C≡C—,不能使溴的四氯化碳溶液褪色却能使酸性高锰酸钾溶液褪色的可能是苯的同系物等。

(3)通过定性实验确定官能团的位置。

①若由醇氧化得到醛或羧酸,可推知—OH一定连接在有2个氢原子的碳原子上,即存在—CH2OH;由醇氧化为酮,推知—OH一定连在有1个氢原子的碳原子上,即存在;若醇不能在催化剂作用下被氧化,则—OH所连的碳原子上无氢原子。

②由消去反应的产物,可确定—OH或—X的位置。

③由取代反应产物的种数,可确定碳链结构。如烷烃,已知其分子式和一氯代物的种数时,可推断其可能的结构。有时甚至可以在不知其分子式的情况下,判断其可能的结构简式。

④由加氢后碳链的结构,可确定原物质分子或的位置。

(4)常用读谱方法

质谱:相对分子质量=最大质荷比。

红外光谱:化学键和官能团信息。

核磁共振氢谱:吸收峰数目=氢原子种类数,不同吸收峰的面积之比(强度之比)=不同氢原子的个数之比。

【易错提醒】有机物的不饱和度与分子结构的关系

(1)Ω=0,说明分子是饱和链状结构;

(2)Ω=1,说明分子中有一个双键或一个环;

(3)Ω=2,说明分子中有两个双键或一个三键,或一个双键和一个环,或两个环;

(4)Ω≥4,说明分子中很有可能有苯环。

【思考·讨论】

下列官能团能否与金属钠反应生成氢气?能否与Na2CO3溶液反应?能否与Na2CO3溶液反应生成CO2?

【典例】某有机化合物A经李比希法测得其中含碳为72.0%、含氢为6.67%,其余为氧。现用下列方法测定该有机化合物的相对分子质量和分子结构。

方法一:用质谱法分析得知A的相对分子质量为150。

方法二:核磁共振仪测出A的1H核磁共振谱有5组峰,其面积之比为1∶2∶2∶2∶3,如图A所示。

方法三:利用红外光谱仪测得A分子的红外光谱如图B所示。

请填空:

(1)A的分子式为__________。 

(2)一个A分子中含一个甲基的依据是__________________。 

a.A的相对分子质量

b.A的分子式

c.A的1H核磁共振谱图

d.A分子的红外光谱图

(3)A的结构简式可能为_______________________________。 

【解析】(1)由题意知,有机物A中O的质量分数为1-72.0%-6.67%=21.33 %,Mr(A)=150 得N (C)==9,N(H)=≈10,N(O)=≈2,则A的分子式为C9H10O2。

(2)由分子式知A中含有10个H,1H核磁共振谱中有5组峰,说明A中有5种氢,峰面积之比为1∶2∶2∶2∶3,则A中5种H的个数比为1∶2∶2∶2∶3,由于3个H相同的只有一种即有一个—CH3。

(3)A中含苯环结构,且苯环与C原子相连形成的结构,含CO和C—O,可联想(酯基),含C—C和C—H,可知含烷烃基,综合可知A的结构简式可能为或或。

答案:(1)C9H10O2　(2)b、c

(3)

或

或。

【规律方法】由分子式确定有机物结构式的一般步骤

有机化合物

的分子式符合分子式的各

种同分异构体同分异构体中

官能团的种类定性、定

量实验有机化合

物结构式

【迁移·应用】

1.某有机物样品的质荷比如图所示(假设离子均带一个单位正电荷),则该有机物可能是 (　　)

A.甲醇　　　　　　　　  B.甲烷

C.丙烷       D.乙烯

【解析】选B。由谱图可知该有机物的最大质荷比为16,则它的相对分子质量为16,故为甲烷。

2.在核磁共振氢谱中出现两组峰,其氢原子数之比为3∶2的化合物是下列物质中的__________。 

A.

B.

C.

D.

【解析】选D。D中有两类氢,且氢原子个数比是6∶4=3∶2。

3.胡椒酚A是植物挥发油中的一种成分。某研究性学习小组对其分子组成结构的研究中发现:A的相对分子质量不超过150;A中C、O的质量分数分别为w(C)=80.60%,w(O)=11.94%,完全燃烧后产物只有CO2和H2O。根据以上信息,填写下列内容:

(1)A的摩尔质量为__________________。 

(2)光谱分析发现A中不含甲基(—CH3),苯环上的一氯取代物只有2种,则A的结构简式为________________。 

(3)A的一种同分异构体中,苯环上含有两个取代基,取代基位置与A相同,且能发生银镜反应。

①符合条件的A的同分异构体的结构简式为__________________________。 

②上述A的一种同分异构体发生银镜反应的化学方程式为________________。 

【解析】由题意知胡椒酚中至少含有一个羟基,A的摩尔质量M=,由于M≤150,可知n只能取1,解得M=134 g·mol-1,A中含有的碳原子数为≈9,氢原子数为≈10,因此A的化学式为C9H10O。A分子的不饱和度为5,含有一个苯环(不饱和度为4),说明A中还含有一个碳碳双键,且A中不含甲基,因此双键在末端,A中苯环上的一氯取代物只有2种,说明酚羟基和烃基在对位上,从而可确定胡椒酚A的结构简式为。

答案:(1)134 g·mol-1

(2)

(3)①、

②+2 [Ag(NH3)2]OH+2Ag↓+3NH3+H2O(或+2[Ag(NH3)2]OH+2Ag↓+3NH3+H2O)

【补偿训练】

某脂肪族化合物A的相对分子质量为118,其中C的质量分数为41%,H为5%,O为54%。化合物A能与碳酸氢钠溶液反应放出气体,也能与新制氢氧化铜悬浊液反应生成砖红色沉淀,符合条件的A的醇羟基类同分异构体有              (　　)

A.2种　　　　 B.3种　　　　C.4种　　　　D.5种

【解析】选C。根据题意知,A分子中碳原子的个数为≈4,氢原子的个数为≈6,则氧原子的个数为=4,故A的分子式为C4H6O4。由“化合物A能与碳酸氢钠溶液反应放出气体”可知,A分子中含有—COOH;又由“与新制氢氧化铜悬浊液反应生成砖红色沉淀”可知,A分子中含有—CHO。而A的不饱和度为2,故A分子中除—CHO、—COOH以外的基团都为饱和结构。符合条件的A的醇羟基类同分异构体有:HOOCCH(OH)CH2CHO、

HOOCCH2CH(OH)CHO、、。

课堂检测·素养达标

1.二甲醚和乙醇是同分异构体,其鉴别可采用化学方法或物理方法,下列鉴别方法中一般不能对二者进行鉴别的是(　　)

A.利用金属钠或者金属钾　　　　 B.利用质谱法

C.利用红外光谱法      D.利用核磁共振氢谱

【解析】选B。质谱是用于测定相对分子质量的。

2.有机物M中只含C、H、O三种元素,其相对分子质量不超过100。若M中含O的质量分数为36.36%,则能与NaOH溶液反应的M共有(不考虑立体异构)              (　　)

A.5种　　　　  B.6种　　　　 C.7种　　　　 D.8种

【解析】选B。M的相对分子质量不超过100,其中含O的质量分数为36.36%,则N(O)≤≈2.3。M能与NaOH溶液反应,则N(O)应为2,故M的相对分子质量约为88,分子式为C4H8O2,能与NaOH溶液反应的M的同分异构体有CH3CH2CH2COOH、(CH3)2CHCOOH、HCOOCH2CH2CH3、HCOOCH(CH3)2、CH3COOCH2CH3、

CH3CH2COOCH3,共6种。

3.(2018·防城港高二检测) 已知某有机物A的核磁共振氢谱如图所示,下列说法中,错误的是 (　　)

A.若A的分子式为C3H6O2,则其结构简式为CH3COOCH3

B.由核磁共振氢谱可知,该有机物分子中有三种不同化学环境的氢原子,且个数之比为1∶2∶3

C.仅由其核磁共振氢谱无法得知其分子中的氢原子总数

D.若A的化学式为C3H6O2,则其同分异构体有三种

【解析】选A。由核磁共振氢谱可知,其分子中含有三种不同化学环境的氢原子,峰的面积之比等于其原子个数之比,但不能确定具体个数,故B、C正确;由A的分子式C3H6O2可知,其同分异构体有3种:CH3COOCH3、CH3CH2COOH、HCOOCH2CH3,

故D正确;其中有三种不同化学环境的氢原子且个数之比为1∶2∶3的有机物的结构简式为CH3CH2COOH或HCOOCH2CH3。故A错误,答案为A。

4.某有机物在氧气中充分燃烧,生成的CO2和H2O的物质的量之比为1∶2,则下列说法中正确的是 (　　)

A.分子中C、H、O个数比为1∶2∶3

B.分子中C、H个数比为1∶4

C.分子中含有氧元素

D.此有机物的最简式为CH4

【解析】选B。由n(CO2)∶n(H2O)=1∶2仅能得出n(C)∶n(H)=1∶4,不能确定是否含O。

5.聚戊二酸丙二醇酯(PPG)是一种可降解的聚酯类高分子材料,在材料的生物相容性方面有很好的应用前景。PPG的一种合成路线如下:

已知:

①烃A的相对分子质量为70,核磁共振氢谱显示只有一种化学环境的氢。

②化合物B为单氯代烃;化合物C的分子式为C5H8。

③E、F为相对分子质量差14的同系物,F是福尔马林的溶质。

④R1CHO+R2CH2CHO

(1)根据信息①确定A的分子式为__________,结构简式为________。 

(2)G的化学名称是________________,所含官能团名称为____________。 

(3)G的同分异构体中,能与饱和NaHCO3溶液反应产生气体的有机物的结构简式为____________。 

(4)化合物C的核磁共振氢谱中有____________组峰。 

(5)既能发生水解反应,又能发生银镜反应的G的同分异构体有________________种。 

【解析】设烃A的分子式为CxHy,则有12x+y=70,讨论分析当x=5时y=10,则分子式为C5H10,由信息①中“只有一种化学环境的氢”知结构简式为,结合框图信息知B为、C为、D为HOOCCH2CH2CH2COOH、E为CH3CHO、F为HCHO、G为HOCH2CH2CHO、H为HOCH2CH2CH2OH、PPG为

。

答案:(1)C5H10　

(2)3-羟基丙醛　羟基、醛基　(3)CH3CH2COOH

(4)3　(5)1