高中化学苏教版 (2019)选择性必修3专题1 有机化学的发展及研究思路第二单元 科学家怎样研究有机物第2课时学案

这是一份高中化学苏教版 (2019)选择性必修3专题1 有机化学的发展及研究思路第二单元 科学家怎样研究有机物第2课时学案，共9页。学案主要包含了学习目标，合作探究，学习情境，新知生成，核心突破，归纳总结，课堂小结，随堂检测等内容，欢迎下载使用。

1.通过质谱仪、红外光谱仪、核磁共振仪等现代仪器测定、探析有机物的分子组成、结构,揭示有机物结构的异同;能认识仪器分析对确定物质微观结构的作用。
2.了解研究有机反应机理的基本方法,并能根据有机物的结构特点推理有机物反应的机理,构建有机化学研究的思维模型。
【合作探究】
【学习情境】
Cl2和甲烷的反应机理
有机反应机理是有机分子从反应物通过化学反应变成产物所经历的全部过程的详细描述,又称有机反应历程。在一步反应中,反应物经过过渡态直接转化为产物,在多步反应中,形成一个或多个活泼中间体再转化为产物,从反应物到活泼中间体,从一个活泼中间体到另一个活泼中间体,从活泼中间体到产物,都要经过过渡态。了解了这些活泼中间体和过渡态的结构、能量、性质,也就阐明了这个反应的机理。
任务1 有机化合物结构的研究
【新知生成】
1.已知某有机物的分子式为C2H6O,写出其可能的结构式: 。
2.乙醇的结构式是 ;可以确定其结构的方法是 。
3.不同的基团具有不同的结构和性质特点,常见基团如羟基、 、羧基、 、烃基等。
4.现代化学测定有机化合物结构的分析方法很多,经常采用的谱图有1H核磁共振谱、红外光谱和质谱等。
(1)红外光谱在确定有机物分子结构中的作用是 。
(2)1H核磁共振谱在确定有机物分子结构中的作用是 。
(3)质谱图在确定有机物分子结构中的作用是 。
【答案】1.或
2. 物理方法,如1H核磁共振谱法;化学方法,如定量实验测定法
3.醛基 氨基
4.(1)推知有机物分子含有的化学键或官能团 (2)推知有机物分子有几种不同类型的氢原子及各种氢原子数目之比
(3)推知有机物的相对分子质量
【核心突破】
典例1 某有机物的相对分子质量为70,红外光谱表明有碳碳双键和CO的存在,1H核磁共振谱如下图(峰面积之比为1∶1∶1∶3):
分析该1H核磁共振谱图,回答下列问题:
(1)分子中共有 种不同化学环境的氢原子。
(2)该物质的分子式为 。
(3)该有机物的结构简式为 。
【答案】(1)4 (2)C4H6O (3)CH3CHCH—CHO
【解析】该有机物的红外光谱检测有CC和CO的存在,所以最简式可设为CnH2n-2O,可得:12n+2n-2+16=70,所以n=4,分子式为C4H6O。根据1H核磁共振谱中有4组峰,可知该有机物有4种氢原子。因峰面积之比为1∶1∶1∶3,故其结构简式为CH3CHCHCHO。
典例2 某有机物X由C、H、O三种元素组成,它的红外吸收光谱表明有羟基O—H键、C—O键和C—H键。X的1H核磁共振谱有4组峰,其峰面积之比为4∶1∶1∶2(其中羟基氢原子数为3),X的相对分子质量为92,试写出X的结构简式: 。
【答案】
【解析】因该有机物有3个羟基,而同一个碳上不能连两个羟基,故该有机物至少含3个碳原子,相对分子质量减去3个碳原子和3个羟基的式量得:92-3×12-17×3=5,故还有5个氢原子,该有机物的分子式为C3H8O3。其1H核磁共振谱有4组峰,且峰面积之比为4∶1∶1∶2,推知其结构简式为。
【归纳总结】
有机物分子结构的确定方法
1.物理方法
(1)红外光谱法:初步判断有机物中含有的官能团或化学键。
(2)1H核磁共振谱法:测定有机物分子中氢原子的类型和数目。氢原子的类型=吸收峰数目;不同氢原子个数比=不同吸收峰面积比。
(3)质谱法:测定有机物分子的相对分子质量。
2.化学方法
(1)根据价键规律,某些有机物只存在一种结构,可直接由分子式确定结构。
(2)官能团的特征反应→定性实验→确定有机物中可能存在的官能团。
(3)通过定量实验,确定有机物中的官能团及其数目。
训练1 某有机物A的质谱图、1H核磁共振谱图如图所示,则A的结构简式可能为( )。

A.CH3OCH2CH3 B.CH3CH2OH
C.CH3CHOD.CH3CH2CH2COOH
【答案】B
【解析】CH3OCH2CH3质荷比为60,而有机物A质荷比为46,A项不符合题意;CH3CH2OH质荷比为46,有三种位置的氢,与题中信息一致,B项符合题意;CH3CHO质荷比为44,有两种位置的氢,与题中信息不一致,C项不符合题意;CH3CH2CH2COOH质荷比为88,有四种位置的氢,与题中信息不一致,D项不符合题意。
训练2 已知某有机物A的红外光谱和1H核磁共振谱如图所示,下列说法中不正确的是( )。
A.由红外光谱图可知,该有机物分子中至少有三种不同的化学键
B.由1H核磁共振谱图可知,该有机物分子中有三种不同化学环境的氢原子
C.仅由1H核磁共振谱无法得知其分子中的氢原子总数
D.若A的分子式为C3H8O,则其结构简式可能为
【答案】D
【解析】由红外光谱图可知,有机物中至少有C—H、O—H、C—O 三种化学键,A项正确;由1H核磁共振谱图可知,有机物分子的1H核磁共振谱有三组峰,则有机物分子中有三种不同化学环境的氢原子,B项正确;由1H核磁共振谱图可知,三组峰的面积比为3∶2∶1,则有机物分子中三种不同化学环境的氢原子的个数比为3∶2∶1,但无法得分子中的氢原子总数,C项正确;中的不同化学环境的氢原子个数比为1∶1∶6,与图中峰的面积比不符,D项错误。
任务2 有机化学反应的研究
【新知生成】
1.探究甲烷取代反应的反应机理
人们借助核磁共振仪和红外光谱仪对甲烷与氯气的取代反应过程进行研究,记录到·Cl的核磁共振谱线和·CH3等基团的存在。反应机理如下:
Cl2Cl·+Cl·
CH4+Cl·CH3·+HCl
CH3·+Cl2CH3Cl+Cl·
Cl·+CH3ClClCH2·+HCl…
依据反应机理,判断甲烷与氯气发生取代反应的产物有 。
2.同位素示踪法研究酯的水解反应
将乙酸乙酯与H218O混合后,加入硫酸作催化剂,乙酸乙酯在加热条件下将发生水解反应。下面是该反应的化学方程式:
+H218O
根据产物中18O的分布情况,可以判断乙酸乙酯在发生水解时 键发生了断裂。
【答案】1.CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4和HCl
2.与CO相连的C—O
【核心突破】
典例3 已知在水溶液中存在平衡:,当与CH3CH2OH发生酯化反应时,不可能生成的是( )。
A.B.
C.H2OD.H218O
【答案】B
【解析】溶液中存在和,与CH3CH2OH进行酯化反应。根据酯化反应的机理:酸脱羟基醇脱氢,可知B项不可能。
典例4 化学反应的实质就是旧键的断裂和新键的生成。欲探讨发生化学反应时分子中化学键在何处断裂的问题,近代科技常使用同位素示踪原子法。如有下列反应:
2R—14CHCH—R'R—14CHCH—R+R'—14CHCH—R'
由此可以推知,化合物
CH3—CHCH—CH2—CH3
↑①↑②↑③↑④
反应时断裂的化学键应是( )。
A.①③B.①④C.② D.②③
【答案】A
【解析】由信息中化学键变化可知,该反应的实质就是与烯烃双键碳原子相连的烃基互相交换,结合信息可确定断键位置应为①③。
【归纳总结】
有机反应种类繁多,涉及不同的反应机理。研究反应机理,有助于我们更好地认识反应的本质,更恰当地运用有机反应。同位素示踪法是研究有机反应机理的重要手段之一。同位素示踪法也可以研究无机反应机理。
训练3 如图所示,乙酸跟乙醇在浓硫酸存在并加热的条件下发生酯化反应(反应A),其逆反应是水解反应(反应B)。反应可能经历了生成中间体(Ⅰ)这一步。
(Ⅰ)
(1)如果将反应按加成、消去、取代反应分类,则A~F六个反应中(将字母代号填入下列横线上),属于取代反应的是 ;属于加成反应的是 ;属于消去反应的是 。
(2)中间体(Ⅰ)属于有机物的 类。
(3)如果将原料C2H5OH中的氧原子用18O标记,则生成物乙酸乙酯中是否有18O?如果将原料中羧羟基中的氧原子用18O标记,则生成物H2O中的氧原子是否有18O?试简述你作此判断的理由。
【答案】(1)AB CF DE (2)醇和醚 (3)是;是;酯化反应的机理是羧酸去羟基醇去氢
【解析】酯化反应属于取代反应,其逆反应也是取代反应,从乙酸到中间体的反应是加成,其逆反应为消去反应,从中间体到酯的反应为分子内脱水,是消去反应,其逆反应是加成反应。如果原料C2H5OH中的氧原子用18O标记,根据酯化反应的机理,18O应在酯中,不在水里;如果将原料中羧羟基中的氧原子用18O标记,根据羧酸提供羟基,18O会在水中出现。
【课堂小结】
【随堂检测】
1.分子式为C2H6O的有机物有两种同分异构体:乙醇(CH3CH2OH)和甲醚(CH3OCH3)。则通过下列方式或方法不可能将二者区别开来的是( )。
A.红外光谱B.1H核磁共振谱
C.元素分析法D.与钠反应
【答案】C
【解析】红外光谱可以测定有机物的化学键和官能团的信息,1H核磁共振谱可以测定有机物中氢原子的种类及个数比,乙醇和甲醚的分子结构不同,所以红外光谱和1H核磁共振谱不相同,A、B两项能区分二者;甲醚与钠不反应而乙醇与钠能反应,D项也可以区分二者;同分异构体的分子式相同,C项元素分析法无法将二者区别开来。
2.2.9 g烃A在足量O2中燃烧生成0.2 ml CO2,A的1H核磁共振谱图中有两组峰,其面积之比为2∶3,则该有机物的结构简式为( )。
A.CH3CH3B.CH3CH2CH2CH3
C.D.CH3CH2CH3
【答案】B
【解析】2.9g烃A中n(H)=2.9g-0.2ml×12g·ml-11g·ml-1=0.5ml,则n(C)∶n(H)=2∶5,且1H核磁共振谱图中的峰面积之比为2∶3,只有B项符合。
3.某气态有机物X含C、H、O三种元素。现欲确定X的分子式,下列条件中所需的最少条件是( )。
①X中碳的质量分数 ②X中氢的质量分数 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
A.①②B.①②④
C.①②⑤D.③④⑤
【答案】B
【解析】由①②可得有机物的实验式,由①②④可知有机物的分子式,③⑤可算出相对分子质量,与④等效,最少条件为①②④。
4.有机物A仅含有C、H、O三种元素,常温下为无色黏稠液体,易溶于水。为研究A的组成与结构,进行了如下实验:
【答案】(1)90 (2)C3H6O3
(3)—COOH、—OH
(4)
【解析】(1)M(A)=M(H2)×45=2 g·ml-1×45=90 g·ml-1。
(2)n(A)=4.5g90g·ml-1=0.05 ml,
n(H2O)=2.7g18g·ml-1=0.15 ml,
n(CO2)=6.6g44g·ml-1=0.15 ml。
所以1 ml A中含有C、H的物质的量分别为3 ml、6 ml,根据A的摩尔质量可求出A的分子式为C3H6O3。
(3)0.05 ml A与NaHCO3反应生成0.05 ml CO2,可知A分子中含有1个—COOH,与Na反应生成0.05 ml H2,结合A的分子式知A分子中还含有1个—OH。
(4)由1H核磁共振谱知A中含有4种氢原子,数目之比为1∶1∶2∶2,推得其结构简式为HO—CH2CH2—COOH。实验步骤
实验结论
(1)称取A 4.5 g,加热使其汽化,测其密度是相同条件下H2的45倍
A的相对分子质量为
(2)将此4.5 g A在足量O2中充分燃烧,并使其产物依次缓缓通过盛有足量浓硫酸、氢氧化钠溶液的洗气瓶,发现两者分别增重2.7 g和6.6 g
A的分子式为
(3)另取A 4.5 g,跟足量的NaHCO3粉末反应,生成1.12 L CO2,若与足量金属钠反应则生成1.12 L H2(气体体积均在标准状况下测定)
用结构简式表示A中含有的官能团:
(4)A的1H核磁共振谱如下图:
A的结构简式为