版高中化学第三章有机合成及其应用合成高分子化合物第2节有机化合物结构的测定第2课时学案鲁科版.docx
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版高中化学第三章有机合成及其应用合成高分子化合物第2节有机化合物结构的测定第2课时学案鲁科版
第2课时 有机化合物结构式的确定
[学习目标定位] 1.能利用官能团的化学检验方法鉴定单官能团化合物分子中是否存在碳碳双键、碳碳叁键、卤素原子、醇羟基、酚羟基、醛基、羧基等，初步了解测定有机物结构的现代方法。
2.能根据有机化合物官能团的定性鉴定结果及相关图谱提供的分析结果判断和确定某种有机化合物样品的组成和结构。
一、不饱和度的计算
1．有机化合物分子不饱和度的计算
（1）公式：
分子的不饱和度＝n（C）＋1－
。
（2）说明：
n（C）表示碳原子数，n（H）表示氢原子数。
①若有机化合物分子中含有卤素原子，则将其视为氢原子；
②若含有氧原子，则不予考虑；
③若含有氮原子，则用氢原子总数减去氮原子数。
2．几种官能团的不饱和度
化学键
不饱和度
化学键
不饱和度
一个碳碳双键
1
一个碳碳叁键
2
一个羰基
1
一个苯环
4
一个脂环
1
一个氰基（—CN）
2
不饱和度的应用
（1）根据不饱和度求物质的分子式
如
的分子式：
由结构简式知，C原子数为14，O原子数为6，而分子的Ω＝双键数＋苯环数×4＝2＋2×4＝10。
则分子中H原子数为2×14＋2－10×2＝10，故分子式为C14H10O6。
（2）根据不饱和度推测物质的结构。
例1 下表列出几种烃的不饱和度。
据此下列说法不正确的是（ ）
有机物
乙烯
乙炔
环己烷
苯
Ω
1
2
1
4
A.1molΩ＝3的不饱和链烃再结合6molH即达到饱和
B．C10H8的Ω＝7
C．C4H8的不饱和度与C3H6、C2H4的不饱和度不相同
D．CH3CH===CHCH3与环丁烷的不饱和度相同
答案 C
解析 有机物分子中增加1个不饱和度，要减少2个氢原子，所以1molΩ为3的不饱和链烃再结合6molH原子达到饱和，故A项正确；C10H8比相同碳原子的烷烃少了14个碳氢键，所以不饱和度为7，故B项正确；C4H8与C3H6、C2H4的Ω都为1，不饱和度相同，故C项错误；CH3CH===CHCH3与环丁烷的Ω都为1，故D项正确。
【考点】 不饱和度的计算及应用
【题点】 不饱和度的计算
方法规律 有机物不饱和度的计算方法
（1）根据有机物的分子式计算：
①烃CnHm：
Ω＝
；②CnHmOz：
Ω＝
（与O无关）；③CnHmXp（X为F、Cl、Br、I）：
Ω＝
（X当作H）。
（2）根据分子结构计算
①Ω＝双键数＋叁键数×2＋苯环数×4＋脂环数
如：
：
Ω＝1＋1×2＋1＝4。
：
Ω＝4＋3＝7。
②立体封闭有机物（多面体等）：
Ω＝立体面数－1。
如：
立方烷（
）的面数为6，其不饱和度Ω＝6－1＝5；棱晶烷（
）的面数为5，其不饱和度Ω＝5－1＝4。
例2 某芳香族有机化合物的分子式为C8H6O2，它的分子（除苯环外不含其他环）中不可能有（ ）
A．两个羟基B．一个醛基
C．两个醛基D．一个羧基
答案 D
解析 由该有机化合物的分子式可求出不饱和度Ω＝6，分子中有一个苯环，其不饱和度Ω＝4，余下2个不饱和度、2个碳原子和2个氧原子。
具有2个不饱和度的基团组合可能有三种情况：
①两个碳原子形成1个—C≡C—、两个氧原子形成2个羟基，均分别连在苯环上；②两个碳原子形成1个羰基、1个醛基，相互连接；③两个碳原子形成2个醛基，分别连在苯环上。
C8H6O2分子拆除一个苯环和一个羧基后，还余一个C，它不可能再形成1个不饱和度，故D项不可能。
【考点】 不饱和度的计算及应用
【题点】 不饱和度的计算及应用（推测）有机物结构
方法规律 有机物的不饱和度与分子结构的关系
（1）Ω＝0，有机物分子是饱和链状结构。
（2）Ω＝1，有机物分子中有一个双键或一个环。
（3）Ω＝2，有机物分子中有两个双键或一个叁键，或一个双键和一个环，或两个环等。
Ω≥4，分子中有可能有苯环。
例3 有机物
的同分异构体有多种，请写出符合下列要求的两种同分异构体的结构简式。
（1）具有苯环结构且苯环上只有一个链状取代基；
（2）已知碳碳双键及碳碳叁键上不能连有—OH。
答案
解析
的不饱和度Ω＝6，其同分异构体的不饱和度为6，苯环的不饱和度为4，故苯环上的链状取代基应含有3个碳原子、1个O原子、且含有2个双键或一个叁键。
符合要求的结构有：
【考点】 不饱和度的计算及应用
【题点】 不饱和度的计算及应用（书写同分异构体）
二、有机物官能团的确定
1．化学实验方法
官能团种类
检测试剂
判断依据
碳碳双键或碳碳叁键
溴的四氯化碳溶液或溴水
红棕色溶液退色
酸性KMnO4溶液
紫色溶液退色
卤素原子
NaOH溶液（加热），稀硝酸、AgNO3溶液
有沉淀生成，根据沉淀的颜色判断卤素的种类
醇羟基
钠
有氢气放出
酚羟基
FeCl3溶液
显紫色
溴水（足量）
有白色沉淀生成
醛基
银氨溶液（水浴）
有银镜生成
新制氢氧化铜悬浊液（加热）
有砖红色沉淀生成
羧基
NaHCO3溶液或Na2CO3溶液
有CO2气体放出
2.物理测试方法
（1）红外光谱
红外光谱（infraredspectroscopy）中不同频率的吸收峰反映的是有机物分子中不同的化学键或官能团的吸收频率，因此从红外光谱可以获得有机物分子中含有何种化学键或官能团的信息。
（2）核磁共振氢谱
核磁共振氢谱（nuclearmagneticresonancespectra）中有多少个峰，有机物分子中就有多少种处于不同化学环境中的氢原子；峰的面积比就是对应的处于不同化学环境的氢原子的数目比。
例如：
分子式为C2H6O的有机物的核磁共振氢谱如下
乙醇
甲醚
核磁共振氢谱
吸收峰数目
3
1
不同吸收峰面积比
2∶1∶3
结构简式
CH3CH2OH
CH3—O+CH3
（3）通过定性实验确定官能团的位置
①若由醇氧化得醛或羧酸，可推知—OH一定连接在至少有2个氢原子的碳原子上，即存在—CH2OH或CH3OH；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，可确定原物质分子中
或—C≡C—的位置。
⑤由有机物发生酯化反应能生成环酯或聚酯，可确定有机物是羟基酸，并根据环的大小，可确定“—OH”与“—COOH”的相对位置。
（4）通过定量实验确定
①通过定量实验确定有机物的官能团，如乙醇结构式的确定；②通过定量实验确定官能团的数目，如测得1mol某醇与足量钠反应可得到1mol气体，则可说明该醇分子中含2个—OH。
（5）可用红外光谱、核磁共振氢谱确定有机物中的官能团和各类氢原子数目，确定结构式。
例4 化学式为C4H8O3的有机物在浓硫酸存在下加热时有如下性质：
①能分别与CH3CH2OH和CH3COOH发生酯化反应；
②能脱水生成一种能使溴水退色的物质，此物质只存在一种结构简式；
③分子内能脱水生成一种分子式为C4H6O2的五元环状化合物。
则C4H8O3的结构简式为（ ）
A．HOCH2COOCH2CH3
B．CH3CH（OH）CH2COOH
C．HOCH2CH2CH2COOH
D．CH3CH2CH（OH）COOH
答案 C
解析 该有机物能够和CH3CH2OH及CH3COOH发生酯化反应，说明其分子内含有—COOH和—OH。
能够脱水生成使溴水退色的物质，再结合C4H8O3的不饱和度，说明此生成物中含有
，即和—OH相连的碳原子的邻位碳原子上必定有H原子。
该有机物能够发生分子内脱水反应生成分子式为C4H6O2的五元环状化合物，则生成的五元环的结点为四个C原子和一个O原子，所以该有机物应为直链状，即HOCH2CH2CH2COOH。
【考点】 有机物分子结构的确定
【题点】 化学法确定有机物的分子结构
例5 为测定某有机物A的结构，设计了如下实验：
①将2.3g该有机物完全燃烧，生成了0.1molCO2和2.7gH2O；②用质谱仪实验得质谱图；③用核磁共振仪处理该化合物得核磁共振氢谱图，图中三个峰的面积比为1∶2∶3。
试回答下列问题：
（1）有机物A的相对分子质量为__________。
（2）有机物A的实验式为____________。
（3）根据A的实验式________（填“能”或“不能”）确定A的分子式。
（4）A的分子式为________，结构简式为________。
答案
（1）46
（2）C2H6O （3）能（4）C2H6O CH3CH2OH
解析 一般质谱图中最大质荷比即为有机物的相对分子质量，所以根据质谱图可知A的相对分子质量为46。
2.3gA完全燃烧生成0.1molCO2和2.7gH2O，则可计算出A的分子式为（C2H6O）n，即A的实验式为C2H6O。
由于H原子已经饱和，所以该实验式就是其分子式。
根据核磁共振氢谱图可知，A中有三种化学环境不同的H原子且数目之比为1∶2∶3，又因为A的通式符合饱和一元醇的通式，所以A的结构简式为CH3CH2OH。
【考点】 有机物分子结构的确定
【题点】 确定分子结构方法的综合应用
方法规律
（1）质谱图中质荷比最大的峰的数值就是该有机物的相对分子质量。
（2）核磁共振氢谱中峰的个数＝分子中不同化学环境的氢原子数目，峰面积之比＝不同化学环境的氢原子数目之比。
（3）红外光谱图中可以获得有机物分子中含有的化学键或官能团。
三、有机化合物结构的确定
1．确定有机化合物结构式的流程
2．医用胶单体的结构确定
（1）测定实验式
燃烧30.6g医用胶的单体样品，实验测得生成70.4gCO2、19.8gH2O、2.24LN2（已换算成标准状况），确定其实验式的计算步骤如下：
①计算各元素的物质的量
n（CO2）＝
＝1.6mol，
n（C）＝1.6mol；
n（H2O）＝
＝1.1mol，
n（H）＝2.2mol；
n（N2）＝
＝0.1mol，
n（N）＝0.2mol；
n（O）＝
＝0.4mol。
②确定实验式
n（C）∶n（H）∶n（N）∶n（O）＝8∶11∶1∶2，则实验式为C8H11NO2。
（2）确定分子式
已知：
由质谱分析法测定出该样品的相对分子质量为153.0。
设该化合物的分子式（C8H11NO2）n，则n＝
＝1，则该化合物的分子式为C8H11NO2。
（3）推导结构式
①计算不饱和度。
不饱和度＝n（C）＋1－
＝8＋1－
＝4。
②用化学方法推测分子中的官能团
a．加入溴的四氯化碳溶液，红棕色退去，说明可能含有
或—C≡C—。
b．加入（NH4）2Fe（SO4）2溶液、硫酸及KOH的甲醇溶液，无明显变化，说明不含有—NO2。
c．加入稀碱水溶液并加热，有氨气放出，说明含有—CN。
③推测样品分子的碳骨架结构和官能团在碳链上的位置。
样品分子核磁共振氢谱图和核磁共振碳谱图提示：
该化合物分子中含有
和
—O—CH2—CH2—CH2—CH3基团。
④确定结构简式。
综上所述，医用胶单体的结构简式为
。
有机化合物结构式的确定方法
（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，则直接根据分子式确定其结构式。
例如：
C2H6，只能是CH3CH3，CH4O只能是CH3OH。
（2）通过定性实验确定
实验→有机物表现的性质及相关结论→确定官能团→确定结构式。
例如：
能使溴的四氯化碳溶液退色的有机物分子中可能含有
，不能使溴的四氯化碳溶液退色却能使酸性高锰酸钾溶液退色的可能是苯的同系物等。
例6 （2017·杭州七校高二期中）某研究性学习小组为确定某蜡状有机物A的结构和性质，他们拟用传统实验的手段与现代技术相结合的方法进行探究。
请你参与过程探究。
Ⅰ.实验式的确定
（1）取样品A进行燃烧法测定，发现燃烧后只生成CO2和H2O，某次燃烧后，经换算得到了0.125molCO2和0.15molH2O。
据此得出的结论是________________________________
________________________________________________________________________。
（2）另一实验中，取3.4g蜡状有机物A在3.36L（标准状况下，下同）氧气中完全燃烧，两者均恰好完全反应，生成2.8LCO2和液态水。
由此得出A的实验式是__________________。
Ⅱ.结构式的确定（经测定A的相对分子质量为136）
（3）取少量样品熔化，加入钠有氢气放出，说明A分子中含有________。
（4）进行核磁共振，发现只有两组特征峰，且峰面积比为2∶1，再做红外光谱，发现与乙醇一样透过率在同一处波数被吸收。
图谱如下：
则A的结构简式为________。
答案
（1）分子中n（C）∶n（H）＝5∶12，分子式为C5H12Ox（x＝0,1,2……）
（2）C5H12O4 （3）羟基 （4）C（CH2OH）4
解析
（1）取样品A进行燃烧法测定，发现燃烧后只生成CO2和H2O，某次燃烧后，经换算得到了0.125molCO2和0.15molH2O，说明该有机物中含有C、H元素，可能含有O元素，分子中C、H元素的物质的量比为n（C）∶n（H）＝0.125mol∶（2×0.15）mol＝5∶12，分子式为C5H12Ox（x＝0,1,2……）。
（2）生成CO2的物质的量为
＝0.125mol，则生成水的物质的量为0.15mol,3.4g有机物中氧元素的质量为3.4g－0.125mol×12g·mol－1－0.15mol×2×1g·mol－1＝1.6g，则氧元素的物质的量为0.1mol，分子中n（C）∶n（H）∶n（O）＝5∶12∶4，故最简式为C5H12O4。
（3）取少量样品熔化，加入钠有氢气放出，A分子中不含有不饱和键，说明A分子中含有羟基。
（4）进行核磁共振，发现只有两组特征峰，且面积比为2∶1，说明结构中含有两种氢原子，数目分别为4和8，再做红外光谱，发现与乙醇一样透过率在同一处波数被吸收，说明结构中含有醇羟基，从红外光谱图可以看出分子中含有O—H、C—O、C—H键，该有机物的结构简式为C（CH2OH）4。
1．据报道，化学家合成了一种分子式为C200H200、含多个
的链状烃，该分子含有
的个数最多可以有（ ）
A．98个B．102个
C．50个D．101个
答案 D
解析 饱和链烃通式为CnH2n＋2，分子中每增加1个碳碳双键则减少2个氢原子，C200H200分子中比200个碳原子的饱和烃少202个氢原子，所以分子中最多可能有101个
。
【考点】 不饱和度的计算及应用
【题点】 不饱和度的计算及应用（推测有机物结构）
2．（2017·济南一中高二期中）在核磁共振氢谱中出现两组峰，其峰面积之比为3∶2的化合物为（ ）
A．
B．
C．
D．
答案 D
解析 因为在核磁共振氢谱中出现两组峰，说明该有机物分子中处在不同化学环境中的氢原子有两种，且根据题意这两种氢原子个数之比为3∶2，分析四个选项：
A项中处在不同化学环境中的氢原子有2种，其个数比为6∶2，不合题意；B项如图所示：
，氢原子有3种，其个数比为3∶1∶1，不合题意；C项如图所示：
，氢原子有3种，其个数比为6∶2∶8，不合题意；D项如图所示：
，氢原子有2种，其个数比为3∶2，符合题意。
【考点】 有机物分子结构的确定
【题点】 核磁共振氢谱有机物中氢原子类型的判断
3．核磁共振氢谱是指有机物分子中的氢原子所处的化学环境（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氢谱图中坐标的位置（化学位移，符号为δ）也就不同。
现有一物质的核磁共振氢谱如图所示：
则可能是下列物质中的（ ）
A．CH3CH2CH3B．CH3CH2CH2OH
C．CH3CH2CH2CH3D．CH3CH2CHO
答案 B
解析 由核磁共振氢谱图知该有机物分子中含有4种不同化学环境的氢原子，A物质分子中有2种不同化学环境的氢原子，B物质分子中有4种不同化学环境的氢原子，C物质分子中有2种不同化学环境的氢原子，D物质分子中有3种不同化学环境的氢原子，故选B。
【考点】 有机物分子结构的确定
【题点】 根据核磁共振氢谱图确定有机物的分子结构
4．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、烃基上C—H键的红外吸收峰。
X的核磁共振氢谱有四个峰，峰面积之比是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 由红外吸收光谱判断X应属于含有羟基的化合物。
由核磁共振氢谱判断X分子中有四种不同类型的氢原子，若羟基氢原子数为3（两种类型氢原子），则烃基氢原子数为5且有两种类型。
由相对分子质量减去已知原子的相对原子质量就可求出碳原子的个数：
＝3，故分子式为C3H8O3。
羟基氢原子有两种类型，判断三个羟基应分别连在三个碳原子上，推知结构简式为
。
【考点】 有机物分子结构的确定
【题点】 确定分子结构方法的综合应用
5．已知某有机物A的实验式为C2H4O，其质谱图如图所示：
（1）该有机物的相对分子质量是__________。
（2）该有机物的分子式为__________。
（3）若该有机物的红外光谱分析含有酯基，写出满足
（2）中分子式的所有同分异构体的结构简式。
答案
（1）88
（2）C4H8O2（3）HCOOCH2CH2CH3、HCOOCH（CH3）2、CH3COOCH2CH3、CH3CH2COOCH3
解析
（1）质谱图最右边的E峰是分子离子产生的，所以其相对分子质量为88。
（2）实验式是C2H4O，可推出其分子式为C4H8O2。
（3）类别为酯，分子式为C4H8O2的同分异构体有四种。
【考点】 有机物分子结构的确定
【题点】 红外光谱法确定有机物的分子结构
6．（2017·佳木斯一中高二期中）某有机化合物A的相对分子质量（分子量）大于100，小于110。
经分析得知，其中C和H的质量分数之和为53.8%，其余为氧。
请回答：
（1）1个A分子中含有________个氧原子。
（2）已知A分子中C、H原子个数比为1∶2，则该化合物的质谱图中最大质荷比为________。
（3）已知A可与碳酸钠溶液反应生成二氧化碳，A的核磁共振氢谱为3组峰，且面积比为6∶1∶1，则A的结构简式为________。
答案
（1）3
（2）104 （3）
解析
（1）C和H的质量分数之和为53.8%，则O的质量分数为46.2%，当A相对分子质量为110时，O原子个数为3.2，当A的相对分子质量为100时，O原子个数为2.9，因此，1个A分子中含有3个氧原子。
（2）已知A分子中C、H原子个数比为1∶2，由
（1）知A分子中O原子的个数为3，A的相对分子质量为
≈104，A的分子式为C4H8O3，该化合物的质谱图中最大质荷比为104。
（3）已知A可与碳酸钠溶液反应生成二氧化碳，证明含有羧基，A的核磁共振氢谱为3组峰，且面积比为6∶1∶1，推出A分子中含有2个甲基，结构简式应为
。
【考点】 有机物分子结构的确定
【题点】 红外光谱法确定有机物的分子结构
7．（2017·临川一中月考）化合物A经李比希法测得其中含C72.0%、H6.67%，其余为氧，质谱法分析得知A的相对分子质量为150。
现测出A的核磁共振氢谱有5个峰，其面积之比为1∶2∶2∶2∶3。
利用红外光谱仪可初步检测有机化合物中的某些基团，现测得A分子的红外光谱如图所示。
已知：
A分子中只含一个苯环，且苯环上只有一个取代基。
试回答下列问题：
（1）A的分子式为________。
（2）A的结构简式为____________（写出一种即可）。
（3）A的芳香类同分异构体有多种，请按要求写出所有符合条件的结构简式：
①分子中不含甲基的芳香酸：
___________________________________________；
②遇FeCl3溶液显紫色且苯环上只有两个对位取代基的芳香醛：
_______________。
答案
（1）C9H10O2
（2）
（或
或
）
（3）①
②
解析
（1）C、H、O的个数之比为
∶
∶
≈9∶10∶2，根据相对分子质量为150，可求得其分子式为C9H10O2。
（2）通过红外光谱图可知：
A分子中除含一个苯环外，还含有
、C—O—C和C—C，所以A的结构简式为
（合理即可）。
（3）①A的芳香类同分异构体中不含甲基的芳香酸是
；②遇FeCl3显紫色，说明含酚羟基，又因为含醛基，且只有两个取代基，所以遇FeCl3溶液显紫色且苯环上只有两个对位取代基的芳香醛是
和
【考点】 有机物分子结构的确定
【题点】 确定分子结构方法的综合应用
[对点训练]
题组1 不饱和度的计算及应用
1．下列说法不正确的是（ ）
A．有机分子中插入O原子对不饱和度没有影响
B．有机分子中去掉H原子对不饱和度没有影响
C．用CH原子团代替有机分子中的N原子对有机分子的不饱和度没有影响
D．烷烃和饱和一元醇的不饱和度都为0
答案 B
解析 分子的不饱和度为n（C）＋1－
，可知去掉H原子不饱和度增大，B不正确；分子中含有氧原子时不予考虑，A、D正确；分子中含有氮原子时，在氢原子总数中减去氮原子数：
不饱和度＝n（C）＋1－
，若用CH代替N原子则多1个C和1个H，少一个N，不饱和度不变，C正确。
【考点】 不饱和度的计算及应用
【题点】 不饱和度的计算
2．有机物
的不饱和度为（ ）
A．8B．7C．6D．5
答案 C
解析 该有机化合物的分子式为C14H18，由计算公式：
不饱和度＝n（C）＋1－
＝14＋1－
＝6。
【考点】 不饱和度的计算及应用
【题点】 不饱和度的计算
3．某链烃的化学式为C200H202，已知该分子中叁键数与双键数之比为2∶1，则其双键数目为（ ）
A．50B．40
C．30D．20
答案 D
解析 可利用链烃的不饱和度等于叁键和双键的不饱和度之和来计算，设双键数目为x，则叁键数目为2x，依不饱和度计算公式有：
200＋1－
＝1×x＋2×2x，
解得x＝20。
【考点】 不饱和度的计算及应用
【题点】 不饱和度的计算及应用（推测有机物结构）
题组2 化学法确定有机物的分子结构
4．在标准状况下，1mol某烃完全燃烧生成89.6LCO2，又知0.1mol该烃能与标准状况下4.48LH2完全加成，则该烃的结构简式是（ ）
A．CH3CH2CH2CH3B．CH3—C≡C—CH3
C．CH3CH2CH===CH2D．CH2===CH—C≡CH
答案
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