高中微项目 青蒿素分子的结构测定——晶体在分子结构测定中的应用课后练习题

第3章　不同聚集状态的物质与性质

微项目　青蒿素分子的结构测定

基础过关练

1.青蒿素是治疗疟疾的有效药物。用水提取青蒿素需采用较高温度,产品药效较差,改用低温乙醚冷浸,药效显著提高。若把青蒿素制成双氢青蒿素,其治疗疟疾的效果比青蒿素更好。下列叙述中不正确的是              (　　)

A.青蒿素的分子式为C15O5

B.双氢青蒿素的水溶性大于青蒿素

C.青蒿素中碳原子的杂化方式均为sp3

D.低温可以减少药物提取过程中过氧键的断裂

2.(双选)我国药学家屠呦呦因发现植物黄花蒿中含有抗疟疾的物质——青蒿素而荣获2015年诺贝尔生理学或医学奖。科学家对青蒿素的结构进行进一步改良,合成了药效更佳的双氢青蒿素、蒿甲醚。

下列说法错误的是 (　　)

A.研究青蒿素结构的基本实验步骤为分离、提纯→元素分析确定实验式→测定相对分子质量确定分子式→波谱分析确定结构式

B.①、②的反应类型分别为氧化反应、取代反应

C.双氢青蒿素在水中的溶解性大于青蒿素

D.可用质谱法确定分子中含有何种官能团的信息

3.青蒿素是烃的含氧衍生物,为无色针状晶体,是有效的抗疟药。青蒿素易溶于丙酮、氯仿和苯中,在水中几乎不溶,熔点为156 ℃。青蒿素从青蒿中提取的方法以萃取原理为基础,主要有乙醚浸取法和汽油浸取法。已知乙醚的沸点为35 ℃。乙醚浸取法的主要工艺流程:

请回答下列问题:

(1)将青蒿进行干燥、剪碎的目的是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 

(2)操作Ⅱ的名称是　　　　　　。 

(3)用下列实验装置测定青蒿素的分子式,将28.2 g青蒿素放在硬质玻璃管C中充分反应:

①装置E中盛放的物质是　　　　。 

②该实验装置可能产生误差,造成测定的含氧量偏低,改进方法是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 

③使用改进后的装置进行实验,得到如下数据:

青蒿素的实验式是　　　　　　　。 

④用质谱法分析得知青蒿素的相对分子质量为282,所以青蒿素的分子式为　　　　　　。 

(4)青蒿素分子结构的确定

①青蒿素的质谱数据中有一个峰值与另一种抗疟药鹰爪素相同,而鹰爪素的该质谱峰对应过氧基团,于是推测青蒿素中含有　　　　　。 

②研究人员经过一系列复杂的氧化和还原反应实验,推测青蒿素具有过氧基团的倍半萜内酯结构。

③红外光谱实验表明青蒿素分子中确实含有酯基和过氧基团。

④利用核磁共振氢谱确定氢原子的种类和数量,利用核磁共振碳谱确定碳原子的种类和数量;确定了青蒿素中含有甲基、过氧基团、带有酯基的六元环等结构片段。

⑤利用上述研究方法还不能精确判断青蒿素分子中所有碳原子和氧原子以何种方式连接成骨架,于是研究人员采用晶体　　　　　　　　　　的方法,确定了青蒿素的分子结构如图。 

微项目　青蒿素分子的结构测定

基础过关练

1.C　由分子结构可知青蒿素的分子式为C15H22O5,A正确;青蒿素的分子中含有酯基,难溶于水,双氢青蒿素的分子中含有羟基,能与水分子间形成氢键,所以双氢青蒿素的水溶性大于青蒿素,B正确;青蒿素分子中酯基上的碳原子形成3个σ键,没有孤对电子,所以此碳原子的杂化方式为sp2,C不正确;过氧键不稳定,高温时易断裂,则低温可以减少药物提取过程中过氧键的断裂,D正确。

2.BD　研究有机物一般经过:分离、提纯→确定实验式→确定分子式→确定结构式,然后根据元素定量分析确定实验式、再测定相对分子质量确定分子式,最后通过波谱分析确定结构式,故A正确;①为还原反应,②该反应中醇羟基变为醚键,为取代反应,故B错误;双氢青蒿素含有羟基,可与水分子间形成氢键,在水中的溶解度较大,故C正确; 质谱法是一种测量离子荷质比的分析方法,可以确定有机物的相对分子质量,红外光谱分析可以确定有机物结构中存在的基团,故D错误。

3.答案　(1)增大青蒿与乙醚的接触面积,提高青蒿素的浸取率　(2)蒸馏　(3)①无水CaCl2(或P2O5)　②空气先通过装有碱石灰的干燥管,装置F后加一个装有碱石灰的干燥管　③C15H22O5　④C15H22O5　(4)①过氧基团　⑤X射线衍射

解析　(1)将青蒿进行干燥、剪碎,可以增大青蒿与乙醚的接触面积,提高青蒿素的浸取率。

(2)分离难溶性固体和液体采用过滤的方法;分离互溶的沸点相差较大的液体采用蒸馏的方法,所以操作Ⅰ是过滤、操作Ⅱ是蒸馏。

(3)①C中青蒿素在加热条件下与氧气反应生成碳的氧化物和水,如果生成物中含有CO,CO通过盛有CuO的玻璃管,与CuO在加热条件下反应生成二氧化碳,用E中的固体物质吸收水蒸气,且E中物质不能和二氧化碳反应,所以E中物质应为中性或酸性干燥剂,可以为无水CaCl2(或P2O5);F用来吸收二氧化碳,应为碱性固体物质,如碱石灰等。②该实验装置右边直接与空气相通,空气中的二氧化碳、水蒸气等会与F中的干燥剂反应,从而使测得的含碳量增大,左边通入的空气中也含有二氧化碳、水蒸气,也会使实验产生误差;为了减小误差其改进方法为:空气先通过装有碱石灰的干燥管,装置F后加一个装有碱石灰的干燥管,防止外界空气中的CO2和H2O进入装置。③由数据可知生成H2O的质量为52.4 g-32.6 g=19.8 g,所以H2O的物质的量为1.1 mol,H原子的物质的量为2.2 mol;生成CO2的质量为126.2 g-60.2 g=66 g,所以CO2的物质的量为1.5 mol,C原子的物质的量为1.5 mol,故青蒿素中氧原子的质量为28.2 g-(2.2×1)g-(1.5×12)g=8 g,O的物质的量为0.5 mol,C、H、O原子的物质的量之比为1.5 mol∶2.2 mol∶0.5 mol=15∶22∶5,所以青蒿素的最简式为C15H22O5。④青蒿素的相对分子质量为282,所以青蒿素的分子式为C15H22O5。

(4)①根据题意可推测青蒿素中也含有过氧基团。⑤采用X射线衍射的方法可以确定晶体的结构。